HUOKOISTEN TERÄSKAPPALEIDEN
MEKAANISTEN OMINAISUUKSIEN MUOKKAUS PIINITRIDI-NANOPARTIKKELEILLA
Ville Hietapakka
PRO GRADU -TUTKIELMA Materiaalikemia
Kemistin koulutusohjelma
675/2021
1
Huokoisten teräskappaleiden mekaanisten ominaisuuksien muokkaus piinitridi-na- nopartikkeleilla
Tailoring of mechanical properties of porous stainless-steel specimens by additions of silicon nitride nanoparticles
Ville Hietapakka, 185705
Itä-Suomen yliopisto, Kemian laitos
Ohjaajat: professori Mika Suvanto & Jarkko Saarinen Joensuu 13.03.2021
Tiivistelmä
Luonto on aina tuottanut hyvin monimuotoisia huokoisia rakenteita ja niitä löytyykin niin kasveista, maaperästä kuin jokaisesta ihmisestäkin. Ihminen on jo hyvin varhaisina aikoina, jopa kymmeniä tuhansia vuosia eaa.1, oppinut hyödyntämään näitä luonnosta löytyviä luonnon polymeerejä ja huo- koisia materiaalia ja jatkojalostamaan niitä omiin tarpeisiinsa. Esimerkiksi alkeellisin sintrausmene- telmin valmistettu erilaista keramiikkaa ja astioita. Ensimmäinen ruiskuvalukone kehitettiin noin 150 vuotta sitten.2 Nykyaikainen ruiskuvalu valmistustekniikkana on suhteellisen monipuolinen ja käy- tettävien materiaalien kirjo on hyvin laaja, voidaan käyttää muun muassa hyvin monia eri polymee- rejä, muoveja ja myös metalleja, ja erilaisia raaka-aineseoksia. Toki ruiskuvalussa käytettävien olo- suhteiden muokkaus tapauskohtaisesti on aina tarpeen. Metallien ruiskuvalamisessa erona muovien ruiskuvaluun on, ettei käytettyä materiaalia lämmitetä sulamislämpötilaan vaan metallien ruiskuva- lussa metallijauheeseen sekoitetaan kulloinkin tilanteeseen sopivaa polymeeriä sopivassa suhteessa siten, että seos lämmitessään polymeerin sulamispisteeseen käyttäytyy kuin pelkkä polymeeri. Huo- koisten metallikappaleiden ehkä suurimpana etuna umpinaisiin on muun muassa huokoisuuden mu- kanaan tuoma valmistettujen kappaleiden alhaisempi massa, mikä mahdollistaa monia sovelluskoh- teita mihin vastaavat umpinaiset kappaleet eivät välttämättä soveltuisi ollenkaan. Huokoisten metal- likappaleilla on useita hyödyllisiä ominaisuuksia mainitun alhaisemman massan lisäksi energian ab- sorbointikyky ja akustiset ominaisuudet, ja niille on nykyisellään melko runsaasti sovelluksia.4,5 Tämän pro gradu -tutkielman kokeellisessa osuudessa tutkittiin huokoisten 316L-ruostumattomasta teräksestä valmistettujen kappaleiden ominaisuuksien kulutuskestävyyden ja mekaanisen lujuuden mahdollista parantumista käyttämällä lisäaineena piinitridiä. Kappaleita valmistettiin piinitridin pi- toisuuksilla 0,5m%, 1,0m% ja 3,0m% ja kappaleiden huokoisuus tuotettiin käyttämällä tilanvaraaja- materiaalina natriumkloridia 20m% seoksen koostumuksesta. Kappaleille tehtiin tribologiset testit käyttäen 3N, 5N ja 10N painoja ja lisäksi kappaleille tehtiin taivutustestimittaukset. Taivutustesteissä kimmokerroin laski 0m%:in pitoisuudesta 0,5m%:in pitoisuuteen siirryttäessä melko runsaasti, mutta edelleen pitoisuuden kasvaessa kimmokerroin kasvoi hieman. Tribologisissa mittauksissa ei kitka- kertoimessa tapahtunut merkittävää muutosta lisäaineena käytetyn piinitridin pitoisuuden kasvaessa ja myös massahäviöt testeissä olivat suurimmillaankin vain noin prosentin kymmenyksen luokkaa.
2
Abstract
Nature has always produced several relatively complex porous structures. They can be found in plants, soil and even inside every human being. Man has already early in history, even tens of thou- sands of years BC1, learned to make use of polymers and porous materials found in nature, and refine them to suit in their own needs. For example, different ceramics and containers have been manufac- tured via crude sintering methods. First injection molding machine was developed about 150 years ago.2 Modern injection molding technique as a production method is relatively broad and versatile.
Process can utilize quite large variety of materials: different polymers, plastics, metals, and different material compounds. Though parameters for the process need to be suitable for each situation. In the metal injection molding the material is not heated to its melting point. Suitable amount of decided polymer is mixed in the metal powder to provide same kind of molding characteristics to the metal- polymer mixture as like it was just the pure polymer material. When heated to the polymers melting point, the mixture partially melts and behaves in the process like polymer. Probably one of the best cons with porous metal objects is the lower mass compared to same but solid objects, which enables many useful applications that might not be possible at all with their solid metal counterparts. Porous metal objects have many useful properties along with the lower mass, for example they have good energy absorption properties and acoustic properties, and have relatively wide array of different ap- plications.4,5
The purpose of this research was to study the possible improvements of mechanical and tribological properties of porous objects made of 316L stainless steel with the use of silicon-nitride as an additive material. Objects were made with powder mixtures containing 0wt%, 0,5wt%, 1,0wt% and 3,0w% of silicon-nitride. The porosity was produced by using 20wt% of sodium-chloride in the powder mixture as a space-holder (PSH) material. Tribological tests were made for the objects using 3, 5 and 10 Newton weights, to acquire kinetic friction coefficient for each of the different silicone-nitride con- tents. Also, three-point flexural tests were conducted for the objects. 5-7 Objects were tested for each Si3N4 contents. In the three-point flexural tests Young’s modulus decreased quite substantially when the silicon-nitride content in the mixture changed from 0wt% to 0,5wt%. However, when the silicon- nitride content in the mixture was increased further, also the Young’s modulus rose to some extent.
In the tribological tests there were not any noticeable changes in the kinetic friction coefficients. The observed mass-loss values were around 10 % at the highest.
3
Sisällysluettelo
1. Johdanto ... 6
2. Ruiskuvalaminen ... 7
2.1. Menetelmä ... 7
2.2. Materiaalit ... 10
2.2.1. Muovit ... 10
2.2.2. Metallit ... 10
2.2.3. Syötemateriaali ... 12
3. Metallien ruiskuvalu -tekniikan (MIM) käyttö ... 14
3.1. Valmistus ... 14
3.1.1. Käsittelyt ennen sintrausta ... 15
3.1.2. Sintraus ... 16
3.2. Huokoiset kappaleet ... 17
3.3. Powder space holder (PSH) -tekniikka ... 19
3.4. Huokoisten kappaleiden kulutuskestävyys ja sen parantaminen ... 20
4. Tutkimuksen tavoitteet ... 21
5. Koejärjestelyt ... 22
5.1. Materiaalit ... 22
5.2. Menetelmät ja laitteistot ... 24
5.2.1. Raaka-aineseosten valmistus ... 24
5.2.2. Kappaleiden valmistus ... 27
5.2.3. Kappaleiden käsittelyt ennen sintrausta ... 28
5.2.4. Kappaleiden sintraus ... 29
5.2.5. Taivutustestaus ... 30
4
5.2.6. Tribologiset testit ... 31
5.2.7. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM) ... 32
6. Tuloksia ja pohdintaa ... 33
6.1. Taivutustestit ... 33
6.2. Tribologiset mittaukset ... 36
6.2.1. Lisäaineistamattomilla luodeilla tehdyt mittaukset ... 36
6.2.2. Lisäaineistetuilla luodeilla tehdyt mittaukset ... 39
6.3. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM) -kuvaukset ... 40
6.3.1. Lisäaineistamattomilla luodeilla tehtyjen mittausten SEM-kuvat ... 41
6.3.2. Lisäaineistetuilla luodeilla tehtyjen mittausten SEM-kuvat ... 44
7. Johtopäätökset ... 46
8. Viitteet ... 48
5
Lyhenteet
FeB = rautaboridi KCl = kaliumkloridi
K2CO3 = kaliumkarbonaatti Mg = magnesium
MIM = metal injection molding = metallien ruiskuvalaminen NaCl = natriumkloridi
NiB = nikkeliboridi PE = polyeteeni
PEG = polyetyleeniglykoli PIM = jauheruiskuvalaminen PLA = polylaktidi
PMMA = polymetyylimetakrylaatti PP = polypropeeni
PS = polystyreeni
PSH = powder space holder = tilanvaaraaja
SEM = scanning electron microscope = pyyhkäisyelektronimikroskooppi Si3N4 = piinitridi
TiB2 = titaanidiboridi TiC = titaanikarbidi
6
1. Johdanto
Huokoisia rakenteita esiintyy luonnossa suhteellisen paljon, esimerkkeinä mainittakoon ihmisten ja eläinten luut, puut, hiekkakivi ja turve. Huokoisten materiaalien ominaisuuksia suhteessa mas- saan ovat usein muun muassa hyvä joustavuus ja rasituksen kestävyys. Ihminen on jo pitkään käyttänyt erilaisia luonnon polymeerejä asioiden ja esineiden valmistukseen, myös savea on käy- tetty, ja muokattu tarpeen mukaan erilaisten esineiden, kuten keramiikan ja astioiden valmistami- seen. Varhaisimpia arkeologisia löydöksiä sintrausmenetelmän käytöstä on löydetty Euroopasta, Aasiasta ja Lähi-Idästä, vanhimpien löydösten ajoittuessa jopa yli 20000 vuotta eea.1
Muoveja ja muita synteettisiä polymeerejä on käytetty pitkään suhteellisen moninaisiin käyttö- tarkoituksiin, käytetyn polymeerin valinnan riippuessa kulloinkin suunnitellusta sovellutuksesta.
Käytettäessä raaka-aineina polymeerejä asioiden valmistuksessa mahdollisia vaihtoehtoisia val- mistusmenetelmiä on hyvin laajalti. Ehkä eräs yleisimpiä ja monipuolisimpia valmistusmenetel- miä kappaleiden valmistukseen eri polymeereistä on ruiskuvalu. Ensimmäinen ruiskuvalukonetta käsittelevä patentti on vuodelta 18722, joten tekniikkana ruiskuvalu on kehitetty suhteellisen var- hain.
Muovien ja polymeerien käyttö raaka-aineina ruiskuvalussa tarjoaa mahdollisuudet valmistaa hyvinkin monipuolisia kappaleita, joiden ominaisuuksia voidaan räätälöidä kulloinkin valmistet- tavalta kappaleelta vaadittujen ominaisuuksien mukaan. Kuitenkin verrattaessa muoveista valmis- tettujen kappaleiden ominaisuuksia häviävät ne varsinkin kulutuskestävyydessä keraamisille ja metallisille kappaleille. Eräs varhaisimpia metallien ruiskuvalamista (MIM) käsittelevä patentti on vuodelta 1980, jolloin R.E. Wiech Jr. patentoi kehittämänsä menetelmänsä.6 Metallien ruisku- valussa ei käytetä puhdasta metallijauhetta vaan aineseosta, joka sisältää metallin lisäksi erilaisia polymeerejä mahdollistaen metallin ruiskuvalamisen kuin se olisi vain käytettyä polymeerimas- saa. Menetelmänä MIM on suhteellisen monipuolinen ja kulloinkin valmistettavan kappaleen ominaisuuksia voidaan muokata halutunlaisiksi muun muassa säätelemällä valuprosessin para- metreja ja ruiskuvalussa käytetyn raaka-aineseoksen koostumusta.
Huokoisilla metallikappaleilla tarkoitetaan metallista valmistettuja kappaleita, joiden rakenne ei ole täysin umpinainen, vaan niihin on tarkoituksellisesti luotu halutun kokoisia tyhjiä koloja, huo- kosia. Huokoisilla metallikappaleilla on myös suhteellisen laaja kirjo erilaisia hyödyllisiä ominai- suuksia, kuten korkea permeabiliteetti, hallittu huokosten määrä ja suuruus, hyvä lämpötilan ja lämpöshokkien kesto ja lisäksi ne ovat myös suhteellisen hyviä koneistettavaksi.7
7
2. Ruiskuvalaminen
Ensimmäisen ruiskuvalukoneen rakenteen patentoivat I.S. Hyatt ja J.W. Hyatt jo vuonna 18722, eli jo lähes 150 vuotta sitten. Verrattuna nykyaikana käytössä oleviin ruiskuvalukoneisiin Hyattien ke- hittämä kone oli suhteellisen yksinkertainen, vaikka periaatteiltaan ollessaan kuitenkin melko saman- kaltainen.
Ruuvityyppisen ruiskuvalukoneen patentoi James W. Hendry vuonna 1955.3 Lähes kaikki nykyai- kaiset ruiskuvalukoneet perustuvat suhteellisen pitkälle Hendryn patentoimaan koneeseen, joissa männän sijaan käytetty raaka-aine pakotetaan koneen suuttimelle pyörivän ruuvin avulla. Tällöin saa- daan materiaalivirran nopeutta hallittua paremmin, mikä myös edesauttaa parempilaatuisten kappa- leiden valmistusta.
2.1. Menetelmä
Valmistettaessa niin kappaleita kuin valmiita tuotteita polymeereistä, ruiskuvalu on suhteellisen mo- nipuolinen valmistustekniikkana. Nykyaikaisessa ruiskuvalukoneessa käytettävä polymeerijauhe pa- kotetaan valmistettavan kappaleen muotoa vastaavaan muottiin ennalta säädettyjen paineen ja läm- pötilan avulla. Sopiva lämpötila varmistaa polymeerijauheen sulamisen ja sopivalla paineella varmis- tetaan polymeerijauheen kulkeutuminen eteenpäin laitteessa ja jauheen sulamisen jälkeen polymee- rimassan puristuminen ja virtaaminen täyttämään muotti kokonaan.
Kuva 1 esittää tyypillisen ruiskuvalulaitteen rakenteen ja sen käsittämät osat. Käytetty raaka-aine- jauhe ohjataan syöttösuppilon (a) kautta laitteen sylinteriin (c), jossa ruuvin (b) pyöriminen työntää jauhetta eteenpäin ja sylinterin riittävä lämmitys saa aikaan jauheen sulamisen. Sula massa puristuu laitteen suuttimen (e) läpi muottiin, joka käsittää paikallaan pysyvän stationaarisen muotin puolik- kaan (g) ja sitä vasten tulevan avattavan vastakappaleen väliseen tyhjään tilaan. Sulaa massaa puris- tetaan ruuvin avulla muottiin, kunnes muotti on täyttynyt, jonka jälkeen muotin annettaessa jäähtyä sisällä oleva massa muotin sisällä jähmettyy. Tämän jälkeen muotin vastakappale avataan ja kappale poistetaan valumuotin puoliskojen välistä. Jotta käytetty raaka-ainejauhe virtaa riittävän hyvin ruis- kuvalulaitteen sisällä aiheuttamatta laitteen tukkeutumisia tai muita ongelmatilanteita, pitää varmis- tua sylinterin riittävästä lämpötilasta. Valettavien kappaleiden laadun varmistamiseksi muotin ja suut- timen (e) välissä on kanava, johon ylimäärän käytetystä raaka-ainemassasta on mahdollista virrata. 8
8
Kuva 1. Tyypillisen ruiskuvalulaitteen rakennekuva: a. syöttösuppilo, b. ruuvi, c. lämmitetty sylinteri, d. lämmityselementit, e. valusuutin, f. ruuvin moottori, g. stationaarinen muotin puolikas, h. muotin asetinrenkaan aukko 8
Kuva 2 esittää nykyaikaisen teollisen ruuvityyppisen ruiskuvalukoneen toimintaperiaatetta. Kuvan kone on rakenneosiltaan vastaava kuin kuvassa 1 esitelty. Valuprosessin alkamiseksi muotti ja sylin- teri lämmitetään säädettyihin lämpötiloihin. Tämän jälkeen pyörivä ruuvi syöttää raaka-ainemassaa tarpeellisen määrän sylinteriin ja valukanavaan. Kun sylinterissä on muotin täyttymiseen riittävästi raaka-ainetta, ruuvi pakottaa massaa eteenpäin suuttimen läpi saaden muotin täyttymään. Muotin täy- tyttyä laite pitää valutapahtumassa käytetyn paineen jonkin aikaa yllä, mikä vähentää valetun kappa- leen kutistumista muotin ja kappaleen jäähtyessä. Muotin ja kappaleen jäähdyttyä ruuvi palaa alku- asentoonsa ja samalla uusi erä raaka-aineseosta alkaa sulamaan sylinterissä. Samalla muotti avataan, valettu kappale poistetaan, muotti suljetaan ja valuprosessi alkaa alusta uudelleen.8
9
Kuva 2. Ruuvityyppisen ruiskuvalukoneen toimintasykli8
10
2.2. Materiaalit
2.2.1. Muovit
Ruiskuvalussa käytettävien eri polymeerien ja muovien skaala on hyvin laaja, sekä kertamuoveja että kestomuoveja on mahdollista käyttää raaka-ainemateriaaleina. Kestomuoveista ruiskuvalupro- sessiin soveltuvat lähes kaikki, kertamuoveista ja elastomeereista joitain. Kulloinkin käytettävä po- lymeeri riippuu hyvin pitkälti siitä, millaisia kappaleita halutaan valmistaa ja niiltä vaadituista omi- naisuuksista. Esimerkkeinä mainittakoon polylaktidista (PLA) valmistetut kertakäyttöastiat9 ja poly- amidista valmistetut teknisiä rakenneosia, kuten hammasrattaat.
2.2.2. Metallit
Menetelmänä ruiskuvalun käyttö ei rajoitu vain polymeereihin ja muoveihin, vaan ruiskuvalulla voi- daan valmistaa kappaleita myös metalleista. Loogisesti tällöin puhutaan metallien ruiskuvalamisesta (engl. metal injection molding, MIM).
MIM on eräs jauheruiskuvalamisen (engl. powder injection molding, PIM) osa-alue ja MIM käsit- tääkin noin 80% koko jauheruiskuvalamisesta. MIM-tekniikalla voidaan valmistaa suhteellisen pal- jon teknisesti monimutkaisempia, toleransseiltaan tarkempia ja kestävämpiä kappaleita kuin perintei- semmillä metallien työstömenetelmillä. MIM-tekniikka mahdollistaa kappaleiden monimutkaisuu- den lisäksi myös edullisen suurien kappalemäärien valmistamisen suhteessa muihin työstömenetel- miin.10
Metallien ruiskuvaluun käytettävien metallimateriaalien on oltava muokattavissa partikkelikooltaan riittävän hienojakoiseksi mieluusti alle 22µm partikkelikokoon. Käytettyjen metallien sulamislämpö- tilojen on oltava riittävän korkeita, jotta ne eivät ala sintrautumaan kappaleille ennen varsinaista sintrausta tehtävissä esikäsittelyissä. Yleisimpiä käytettyjä metalleja ovat muun muassa ruostumaton teräs, kupari, titaani ja erilaiset lejeeringit. Käytetyn metallijauheen partikkeleille toivotuin ja opti- maalisin muoto on pallomainen, mutta myös muunlaisia partikkelimuotoja omaavia jauheita käyte- tään.11
MIM-tekniikassa käytettävä metallijauhe valmistetaan atomisoimalla kohdistamalla sulaan metalli- materiaaliin paineistettua inerttiä kaasua tai korkeapaineista vesisuihkua. Kaasuatomisaatiossa inertti kaasu pakottaa sulan metallin suuttimen läpi, jolloin metalli muodostaa suhteellisen pieniksi palloja ja nämä metallipallot jäähdytetään nopeasti. Atomisaation jälkeen metallijauhe kerätään talteen ja partikkelit lajitellaan partikkelikoon mukaan seulomalla. Vesiatomisaatiossa sulaan metalliin kohdis- tetaan korkeapaineinen vesisuihku, jonka vaikutuksesta sulasta metallista lähtee erilleen pieniä par- tikkeleita, jotka samalla vesisuihkun vaikutuksesta jäähtyvät alle sulamispisteensä saaden ne jähmet- tymään. Samoin kuin kaasuatomisaatiossa muodostunut metallijauhe kerätään lopuksi talteen jatko- käyttöä varten. Kaasu- ja vesiatomisaatiomenetelmillä on eroja keskenään. Koska kaasuatomisaatio tapahtuu inertillä kaasulla, eli inertissä atmosfäärissä, kaasuatomisaatio soveltuu lähes kaikenlaisille
11
materiaaleille toisin kuin vesiatomisaatiossa, jossa on vaarana mahdollinen materiaalin reagointi ve- den kanssa. Toisaalta vesiatomisaation etuna kaasuatomisaatioon verrattaessa on sen edullisuus.
Muodostettavan jauheen partikkelikoon kasvaessa kaasuatomisaatiota käytettäessä sekä partikkelien muoto että koko pysyvät yhdenmukaisempina huomattavasti paremmin verrattuna vesiatomisaa- tioon.12
Kuvissa 3 ja 4 on pyyhkäisyelektronimikroskoopin (SEM) kuvat 3μm ja 20μm partikkelikokoisille kaasu- ja vesiatomisoiduille 17-4PH -teräkselle. Keskimääräisen partikkelikoon ollessa 3μm (Kuva 3) kaasu- ja vesiatomisaatioiden välillä ei ole eroa juuri ollenkaan. Partikkelikoon ollessa 20μm erot kaasu- ja vesiatomisaatioiden välillä ovat huomattavia. Kaasuatomisoidussa partikkelit ovat edelleen suhteellisen hyvin rakenteeltaan säännöllisen pallomaisia ja kokojakauma on myös suhteellisen ta- sainen. Vesiatomisoidussa taas partikkelien muoto on hyvinkin vaihteleva ja keskimääräistä partik- kelikokoa suurempia partikkeleita on huomattavasti enemmän kuin kaasuatomisoidussa.12
Kuva 3. SEM kuvat 3μm partikkelikoon kaasu- (a) ja vesiatomisoidusta (b) 17-4PH -teräsjau- heesta12
12
Kuva 4. SEM kuvat 20μm partikkelikoon kaasu- (a) ja vesiatomisoidusta (b) 17-4PH -teräsjau- heesta12
2.2.3. Syötemateriaali
Syötemateriaali on metallien ruiskuvalussa käytettävä aineseos, joka käsittää metallijauheen ja yh- den tai useamman sidosaineen. Metallijauhetta sellaisenaan ei voida käyttää vaan se on sekoitettava orgaanisten sidosmateriaalien kanssa.
Jotta kulloinkin käytettäväksi valittua metallijauhetta on mahdollista ruiskuvalaa pitää se sekoittaa orgaanisen sidosmateriaalin kanssa. Käytettävät sidosmateriaalit ovat useimmiten muutenkin ylei- sesti ruiskuvalamisessa käytettyjä polymeerejä, kuten polypropeeni (PP), polyeteeni (PE) ja polyety- leeniglykoli (PEG). Sidosmateriaaliin kohdistuu useita erilaisia vaatimuksia ominaisuuksista ja li- säksi sidemateriaalin on toimittava halutulla tavalla kulloinkin päälähtöaineena käytettävän metalli- jauheen kanssa. Käytettävän sideaineen on oltava sellainen, että sekoitettaessa metallijauheen kanssa muodostuu massa, jota on mahdollista plastisoida ja ruiskuvalaa. Ruiskuvalun jälkeen sideaineen olisi hyvä olla poistettavissa helposti ja ilman ympäristölle aiheutuvia vahinkoja, kierrätettävyys, yhden- mukaiset ominaisuudet eri materiaalierien välillä ja edullisuus ovat lisäksi toivottavia ominaisuuksia metallien ruiskuvalussa käytettävältä sideaineelta. Metallien ruiskuvalussa käytetään hyvin usein enemmän kuin yhtä sideainetta. Sideaineet jaetaankin kahteen ryhmään primäärisiin (sitoja, englan- niksi binder) ja sekundäärisiin (tukirakenne, englanniksi backbone). Primäärisen sideaineen tarkoi- tuksena on tuottaa syötemateriaalille vastaavan puhtaan aineen kaltaiset ruiskuvalettavuuden ominai- suudet. Sekundäärisen sideaineen tarkoituksena taas on pitää ruiskuvaletun kappaleen rakenne koossa siihen asti, kunnes kappale sintrataan.13,14
13
Käyteyllä sidosmateriaalin määrällä on myös merkittävä vaikutus ruiskuvalettavan kappaleen omi- naisuuksiin. Riittämätön sidosmateriaalin määrä häiritsee metallipartikkelien liikettä ja partikkelien väleihin jää kokonaan tyhjiä kohtia, joissa sidosmateriaalia ei ole ollenkaan. Sidosmateriaalin määrän saavuttaessa ns. ”kriittisen pisteen” metallipartikkelien väliin jäävä tila täyttyy tällöin kokonaan si- dosmateriaalista, mutta partikkelien ollessa edelleen jossain määrin kosketuksissa toisiinsa eikä si- dosmateriaali kykene toimimaan suunnitellussa tarkoituksessa. Sidosmateriaalin määrän lisääminen optimaaliseen pitoisuuteen kasvattaa metallipartikkelien välistä etäisyyttä mahdollistaen sidosmate- riaalin muodostaa yhtenäisen kokonaan metallipartikkelien pinnan peittävän polymeerikerroksen.
Mikäli sidosmateriaalin määrää kasvatetaan optimaalisen pitoisuuden yli kasvaa metallipartikkelien välinen matka liikaa, mikä estää partikkeleita stabiloimasta toisiaan entisestään aiheuttaen lisää on- gelmia käytettäessä tällaista syötemateriaalia ruiskuvaluprosessissa. Kuva 5 esittää edellä kuvattuja tilanteita metallipartikkelien ja sidosmateriaalin suhteista.15
Kuva 5. Metallipartikkelien ja sidosmateriaalin suhteiden vaikutus syötemateriaalin koostumukseen.
a. riittämätön sidosmateriaalin koostumus, b. kriittinen sidosmateriaalin koostumus, c. optimaalinen sidosmateriaalin koostumus, d. liiallinen sidosmateriaalin koostumus
14
Kun syötemateriaalille on saatu luotua halutunlainen koostumus, siitä voidaan valaa kappaleita sa- maan tapaan kuin käytettäisiin ainoastaan sideaineena toimivaa muoviakin. Kuten muovienkin ruis- kuvalussa, myös metallikappaleiden ruiskuvalussa valuprosessiin ja sen onnistumiseen vaikuttaa useita tekijöitä esimerkiksi käytetyt sylinterin ja muotin lämpötilat, valunopeus, käytetyn syötemate- riaaliseoksen ominaisuudet ja käytetyn valumuotin rakenne.16
3. Metallien ruiskuvalu -tekniikan (MIM) käyttö
3.1. Valmistus
Metallikappaleiden valmistus ruiskuvaluprosessilla voidaan karkeasti jakaa neljään erilliseen vai- heeseen: raaka-aineen valmistelu, ruiskuvalaminen, debinding (sideaineiden poisto) ja sintraus. Ku- vassa 6 on periaatteellinen kuva MIM-prosessin eri vaiheista.13
Kuva 6. MIM-prosessin eri vaiheet13
15 3.1.1. Käsittelyt ennen sintrausta
Granuloitu syötemateriaali syötetään ruiskuvalukoneeseen, jossa siitä valmistetaan ruiskuvalamalla haluttuja kappaleita. Ruiskuvalun jälkeen kappaleet ovat mitoiltaan hieman lopullista kappaletta suu- rempia, tässä on otettu huomioon myöhemmissä käsittelyvaiheissa tapahtuva kappaleen kutistumi- nen. Syötemateriaalista valmistettuja valukappaleita kutsutaan ”vihreiksi kappaleiksi” (engl. green parts). Nämä vihreät kappaleet sisältävät pääraaka-aineena käytettävän metallin lisäksi vielä sidosai- neina käytettävät polymeerit tai muut lisäaineet ja lisäksi vihreät kappaleet ovat mitoiltaan jossain määrin ylisuuria haluttuun lopullisen kappaleen mittoihin verrattuna, jotta myöhemmissä käsittely- vaiheissa tapahtuvat kutistuminen ei tee kappaleista liian pieniä. Näistä vihreistä kappaleista primää- risen sidosaineen (engl. binder) poistamiseen on riippuen tilanteesta käytännössä kolme eri tapaa:
liuottaminen, haihduttaminen tai reagointi katalyytin kanssa. Primäärisen sidosmateriaalin poistami- sen jälkeen jäljelle huokoinen metallikappale, joka pysyy kasassa sekundäärisen sidosaineen (engl.
backbone) avulla.17
Kun ennen sintrausta ruiskuvaletuista kappaleista on poistettu primäärinen sidosaine, jäljelle jäävää kappaletta nimitetään ”ruskeaksi kappaleeksi” (engl. brown part). Nämä ruskeat kappaleet käsittävät metallipartikkelien lisäksi vielä sekundäärisen sidosaineen. Sekundäärisen sidosaine poistetaan läm- pökäsittelyllä (thermal debinding), joka tapahtuu yleensä samassa uunissa kuin lopullinenkin sintraus.
Ruskeita kappaleita lämmitetään hitaasti lämpötilaan, jossa sekundäärinen sitoja alkaa haihtua kap- paleesta. Kun haluttu lämpötila on saavutettu, lämpötila pidetään vakiona, kunnes kaikki sidosaine on haihtunut kappaleesta. Useimmin halutut lämpötilat määritetään etukäteen syötemateriaalin ter- mogravimetrisella analyysillä. Sekundäärisen sidosaineen poiston jälkeen partikkelien välille muo- dostuu pieniä diffuusiosidoksia, jotka kasvattavat partikkelien välistä kitkaa ja täten auttavat kappa- leen muodon säilyvyyttä. Tässä vaiheessa vielä suhteellisen hauraan kappaleen muuttaminen lopul- liseksi lujaksi kappaleeksi tapahtuu sintraamalla.18
16 3.1.2. Sintraus
MIM-prosessin viimeinen vaihe on kappaleiden sintraaminen. Sintrauksessa metallipartikkelit si- toutuvat niitä ympäröiviin toisiin partikkeleihin muodostaen yhtenäisen ja homogeenisen kappa- leen.19 Sintrauksessa kappaleet lämmitetään lähelle niiden sulamispistettä, 70-90% kulloinkin käyte- tyn metallin sulamislämpötilasta.20 Lämpötilan saavutettua halutun arvon partikkelien väliset raerajat alkavat hävitä ja yksittäisten partikkelien välille alkaa muodostua kiinteitä sidoksia, mikä johtuu par- tikkelien luontaisesta pyrkimyksestä alentaa pintaenergiaa. Kuva 7 esittää kahden partikkelin välisen sintraantumisen periaatteen.18
Kuva 7. Kahden partikkelin välinen sintraantuminen18
17
Sintrausprosessissa käytettäviin parametreihin on kiinnitettävä huomiota, jotta kullakin sintrausker- ralla saadaan aikaan halutunlainen lopputulos. Kappaleiden sintraukseen vaikuttavat eri tekijät voi- daan jaotella neljään eri ryhmään: käytetty materiaali, sintrausprosessi, sintrausympäristö ja käytetty laitteisto. Kuvassa 8 on kaaviokuva sintraukseen ja sintratun kappaleen lopulliseen tiheyteen vaikut- tavista tekijöistä.21
Kuva 8. Sintrattavan 316L-kappaleen lopulliseen tiheyteen vaikuttavat tekijät21
3.2. Huokoiset kappaleet
Huokoisilla metalleilla on useita käytännöllisiä ominaisuuksia: matala tiheys, korkea lujuus/paino suhde, suuri pinta-ala, energian absorptiokyky ja korkea kaasujen ja nesteiden permeabiliteetti. Suo- raan näistä ominaisuuksista seuraten huokoisilla metallikappaleilla on suhteellisen paljon mahdollisia sovelluskohteita kuten esimerkiksi erilaiset suodattimet, äänenvaimentimet, lämmittimet ja lämmön- vaihtimet, eristimet ja biolääketieteelliset sovellukset.4,5 Huokoisten kappaleiden valmistus MIM- prosessilla ei periaatteessa eroa kiinteiden kappaleiden valmistuksesta mitenkään. Tarkasteltaessa kappaleen kolme alussa esiteltyä kuvaa 6 MIM-prosessin vaiheista, huokoisia kappaleita valmistet- taessa kappaleen huokoisuuden tuottamiseen käytetty aine poistetaan samassa vaiheessa primäärisen sideaineen poiston yhteydessä. Huokoisuuden tuottamiseen käytetty aine voi olla helposti esimerkiksi veteen liukenevaa yhdistettä, kuten kokeellisessa tutkimuksessa käytetty natriumkloridi (NaCl).
18
Myös kappaleen huokoisuudella on huomattavaa vaikutusta lämmönjohtavuuteen. Eräässä tutki- muksessa, joka käsitteli huokoisia kuparikappaleita, havaittiin lämmönjohtavuuden kasvavan arvosta 378,71 W/mK arvoon 520,46 W/mK, kun samalla kuparikappaleiden huokoisuutta kasvatettiin noin 15 prosentista 53 prosenttiin. Yhtenä syynä lämmönjohtavuuden kasvuun tutkijat pitivät huokoisuu- den kasvua, vaikka ilmeisesti muitakin mahdollisuuksia on. Kuva 9 esittää SEM-kuvaa tutkimuksessa valmistetun huokoisen kuparivaahdon pinnasta. 22
Kuva 9. SEM-kuva sintratun kuparivaahdon pinnasta 500x suurennoksella22
Huokoisissa kappaleissa huokoset on jaettu käytännössä kahteen eri tyyppiin, avoimiin ja suljettui- hin huokosiin. Suljetut huokoset ovat nimensä mukaisesti umpinaisia suljettuja huokosia ja ne sijait- sevat kappaleiden sisällä. Sellaisia huokosia, jotka ovat yhteydessä kappaleen ulkopintaan kutsutaan avoimiksi huokosiksi. Avoimia huokosia voidaan edelleen tarkemmin määritellä niiden rakenteen perusteella, ovatko ne avoimia vain toisesta päästään (sokeat huokoset, engl. blind pores) vai molem- mista (läpihuokoset, engl. through pores). Avoimia huokosia voidaan määritellä myös niiden muodon perusteella esimerkiksi sylinterin, mustepullon ja suppilon muotoisiin. Kappaleen pinnan epätasai- suuksia tarkasteltaessa on hyvä huomioida, että pinnan epätasaisuudet (engl. rough surface) luokitel- laan huokosiksi, kun niiden syvyys on yhtä suuri tai suurempi kuin niiden leveys.23
19
Kuvassa 10 nähdään edellä kuvaillun mukaisesti erityyppisiä huokosia: suljetut huokoset (a), toi- sesta päästä avoin huokonen (b ja f), molemmista päistä avoimia huokosia (e), sylinterin muotoisia huokosia (c ja f), mustepullon muotoisia huokosia (b) ja suppilon muotoisia huokosia (d). Kuvassa näkyy myös pinnan epätasaisuus, mitä ei kuitenkaan luokitella huokosiksi (g).23
Kuva 10. Erityyppisiä huokosia; a suljettu huokonen, b, c, d, e, f avoimia huokosia ja g pinnan epä- tasaisuus.23
3.3. Powder space holder (PSH) -tekniikka
Valmistettaessa huokoisia metallikappaleita MIM-tekniikalla voidaan kappaleiden huokoisuutta muokata halutun suuruiseksi kulloinkin tilanteeseen soveltuvaa lisäainetta lisäämällä ruiskuvalussa käytettävän syötemateriaalin sekaan. Powder space holder (PSH) -materiaalina käytettävien materi- aalien skaala on suhteellisen laaja. PSH-materiaaliksi soveltuu esimerkiksi erilaisia orgaanisia yhdis- teitä kuten urea24 ja tärkkelys25, metalleja kuten magnesium (Mg)26, erilaisia suoloja kuten kalium- karbonaatti (K2CO3)22, kaliumkloridi (KCl)27 ja natriumkloridi (NaCl)28 ja erilaiset polymeerit kuten polystyreeni (PS)29 ja polymetyylimetakrylaatti (PMMA)4,30.
Metallien ruiskuvalussa käytettävälle PSH-materiaalille on suhteellisen vähän/pieniä vaatimuksia.
Käytännössä PSH-materiaalin ominaisuuksiksi riittää, että materiaali kestää ruiskuvalussa kulloinkin käytettävät olosuhteet (lämpötila ja paine) ja toisena vaatimuksena on, että PSH-materiaali on hel- posti poistettavissa kappaleesta ruiskuvalutapahtuman jälkeen, yleensä joko liuottamalla tai haihdut- tamalla. Kappaleen tasaisen huokoisuuden kannalta on hyvä, että käytetty syötemateriaali ja PSH- materiaali muodostavat keskenään mahdollisimman homogeenisen seoksen.
20
3.4. Huokoisten kappaleiden kulutuskestävyys ja sen parantaminen
Huokoisten metallikappaleiden ominaisuuksia on tutkittu viime vuosikymmenen aikana suhteellisen paljon. Erityisesti biolääketieteellisiin sovelluksiin tarpeellisia ominaisuuksia on tutkittu. Varsinkin titaanista31,32 ja sen seoksista muiden metallien kanssa33 valmistettuja huokoisia implantteja on tut- kittu.
Eräässä tutkimuksessa verrattiin ruostumattomasta teräksestä (316L) valmistettujen huokoisten ja ei-huokoisten tekonivelimplanttien ominaisuuksia. Tutkimuksessa huokoisen materiaalin käyttö tuotti huomattavaa alenemaa liikkeen vastustuksessa ja materiaalin kulumishävikissä. Huokosten ra- kenteella, erityisesti niiden koolla, havaittiin olevan vaikutusta kulumisen vähenemiseen. Saman huo- koisuuden omaavista kappaleista suuremman huokoskoon omaavalla kappaleella oli parempi voite- levuus. Vastaavasti huokoskoon pienenemisen havaittiin alentavan voitelevuutta, mikä suoraan lisäsi materiaalin kulumista.34
Kahdessa muussa tutkimuksessa selvitettiin ruostumattomasta teräksestä (17-4PH) valmistettujen kappaleiden ominaisuuksien parantamista joko nikkeliboridia (NiB) tai rautaboridia (FeB) lisäämällä.
Nikkeliboridin lisäystä 17-4PH ruostumattomaan teräkseen käsitelleessä tutkimuksessa havaittiin NiB-lisäyksen alentaneen sintraukseen kuluvaa aikaa ja sintrauksessa vaadittavaa lämpötilaa. Mate- riaalin sisältäessä 1 p% nikkeliboridia valmiiden kappaleiden vetolujuus ja kovuus kasvoivat 43% ja 53% verrattuna tavalliseen 17-4PH materiaalista valmistettuihin kappaleisiin. Rautaboridin lisää- mistä 17-4PH ruostumattomaan teräkseen käsitelleessä tutkimuksessa havaittiin vastaavanlaisia tu- loksia kuin NiB-lisäyksen tapauksessa. Rautaboridin lisäys alensi tarvittavaa sintrausaikaa ja -läm- pötilaa. Lisättäessä rautaboridia 1 p% havaittiin valmiiden kappaleiden vetolujuuden ja kovuuden kasvaneen 35% ja 47% vastaavasti.35,36 Näiden mainittujen kahden tutkimuksen tapauksessa ei pyritty huokoisten kappaleiden valmistukseen, mutta koska molemmissa tutkimuksissa havaittiin varsin huo- mattavaa kasvua kappaleiden vetolujuuksissa ja kovuuksissa, lisää tämä kiinnostusta selvittää vastaa- van kaltaisten lisäaineiden vaikutusta myös huokoisten metallikappaleiden ominaisuuksiin.
21
4. Tutkimuksen tavoitteet
Tämän pro gradu -tutkielman kokeellisessa osiossa on tarkoituksena tutkia ruostumattomasta 316L- teräksestä valettujen huokoisten kappaleiden kulutuskestävyyden mahdollista parantumista lisäai- neistamista käyttämällä. Huokoisuus ruiskuvalettuihin kappaleisiin tuotetaan käyttämällä tilanvaraa- jamateriaalina (engl. powder space holder, PSH) natriumkloridia, jonka raekoko on vakioitu seulon- nalla 201-315µm kokoon. Natriumkloridi valittiin PSH-materiaaliksi sen edullisuuden, helpon saata- vuuden ja käsiteltävyyden suhteellisen helppouden takia. Natriumkloridi myös soveltuu hyvin ruis- kuvalussa käytettyjen parametrien kannalta, se ei sula ruiskuvalussa käytetyssä lämpötilassa ja ruis- kuvalun jälkeen vesiliukoisena sen on helposti poistettavissa kappaleista ionivaihdetussa vedessä liu- ottamalla.
Huokoisilla metallikappaleilla on jo sellaisenaan monia sovelluskohteita. Kappaleen huokoisuudella saadaan kappaleen massaa pienenemään verrattuna vastaavan kokoiseen täysin umpinaiseen kappa- leeseen. Huokoisiin voidaan vielä jotain suhteellisen monenlaisia lisäaineita riippuen myös huokosten tyypistä ja kulloisestakin sovelluskohteesta, esimerkiksi voiteluaineita korroosionestoaineita ja monia muita. Kuitenkin valmistettaessa huokoisia kappaleita ja huolimatta huokoisuuden tuomista eduista verrattuna vastaaviin umpinaisiin kappaleisiin, huokoisuudella voi olla myös kappaleen lujuutta ja kulutuskestävyyttä heikentävä vaikutus ainakin huokoisuuden kasvaessa riittävästi.
Koska kappaleen huokoisuus vaikuttaa valmistetun kappaleen ominaisuuksiin, valmistetuissa kap- paleissa suhteellinen huokoisuus vakioitiin tiettyihin arvoihin natriumkloridin massaosuuden ennalta päätetyillä pitoisuuksilla (10m%, 20m% ja 30m%). Koska lisäaineistamattomasta 316L-teräksestä valmistettujen huokoisten kappaleiden ja lisäaineistettujen umpinaisten kappaleiden ominaisuuksia on jo aiemmin tutkittu ja molemmissa tapauksissa muutosten vaikutuksesta kappaleiden ominaisuuk- sin on tutkimustietoa, päädyttiin selvittämään myös lisäaineiden mahdollista vaikutusta huokoisten kappaleiden ominaisuuksiin. Huolimatta mahdollisten lisäaineiden suhteellisen suuresta määrästä tut- kimuksessa päädyttiin lopulta käyttämään piinitridiä (Si3N4).
22
5. Koejärjestelyt
5.1. Materiaalit
Tutkimuksessa käytetty ruiskuvalun raaka-aine on PolyMIM GmbH:n valmistamaa pellettimuo- dossa olevaa polyMIM® -materiaalia, joka sisältää 316L-teräksen lisäksi sideaineena toimivaa poly- etyleeniglykolia (PEG). Käytetty polyMIM® -materiaali pellettimuodosta jauhettuna soveltui sellai- senaan jatkokäyttöön.
Käytettäväksi lisäaineeksi mietittiin kolmen eri materiaalin välillä: piinitridi (Si3N4), titaanikarbidi (TiC) ja titaanidiboridi (TiB2). Näistä kolmesta lisäaineesta päätettiin valita käytettäväksi piinitridi.
Käytetty piinitridi oli myös valmiiksi toimitettua hyvin hienojakoista jauhetta (hiukkaskoko <50nm).
Piinitridin pitoisuuksiksi päätettiin aluksi valita 1 m%, 3 m% ja 5m%, mutta ruiskuvalussa ilmen- neistä ongelmista johtuen 5m% hylättiin ja kolmanneksi pitoisuudeksi päätettiin valita 0,5m%.
Huokoisuuden tuottamiseen ruiskuvalettavissa kappaleissa päädyttiin käyttämään natriumkloridia (NaCl), jonka partikkelien koko rajattiin 201-315µm partikkelikokoon seulomalla suola ensin ker- taalleen, tämän jälkeen kertaalleen seulottua suolaa kuivattiin kahden tunnin ajan 100°C lämpötilassa, jotta mahdollinen seulontaa häiritsevä liiallinen kosteus saatiin poistettua, ja kuivauksen jälkeen suola seulottiin vielä toiseen kertaan, jotta mahdollinen <200µm raekoon suola saatiin erotettua. Käyte- tyiksi natriumkloridin pitoisuuksiksi määritettiin aluksi 10m%, 20m% ja 30m% ja tarvittavat nat- riumkloridin massat laskettiin aiemmin punnitun polyMIM® -materiaalin ja piinitridin yhteenlaske- tun massaan perusteella. Lopuksi vielä ennen kappaleiden ruiskuvaluprosessia 316L:n, piinitridin ja natriumkloridin seokseen punnittiin 2m% parafiinia helpottamaan seoksen ruiskuvaluominaisuuksia.
316L-teräksen, piinitridin ja natriumkloridin yhteismassaksi valittiin 100g, jonka pohjalta lähdettiin laskemaan tarvittavia massoja käytetyille reagensseille. Aluksi valitusta 100g massasta laskettiin tar- vittavan natriumkloridin määrä (kaava 1) ja jäljelle jäävästä laskettiin 316L-teräksen ja piinitridin massat (kaavat 2 ja 3). Lopuksi vielä tarvitun parafiinin määrä (kaava 4) laskettiin käyttäen 316L- teräksen, piinitridin ja natriumkloridin punnittua kokonaismassaa, käytettiin parafiinin pitoisuuksina taivutustestikappaleille 1,5m% ja tribotestikappaleille 2,0m%, kaavassa 4 m(seos) tarkoittaa 316L- teräksen, piinitridin ja natriumkloridin kokonaismassaa. Parafiinia punnittiin kussakin piinitridin pi- toisuuden tapauksessa ensin 1,5m%, jonka jälkeen seoksesta käytettiin osa taivutustestikappaleiden valmistukseen, jonka jälkeen laskettiin purkkiin jäljelle jääneen raaka-aineseoksen määrä ja se kuinka paljon parafiinia vielä tarvitsi lisätä, jotta pitoisuus kasvaisi 2,0m%:iin. Taulukossa 1 on listattuna piinitridin pitoisuuden suhteen erilaiset raaka-aineseokset. Kulutustesteihin tarvitut luotia muistutta- vat vastinkappaleet valmistettiin vastaavilla koostumuksilla, mutta seoksista jätettiin pois natrium- kloridi ja parafiini.
23 𝑚(𝑁𝑎𝐶𝑙) =𝑚%(𝑁𝑎𝐶𝑙)
100% ∗ 100𝑔 (1) 𝑚(316𝐿) =𝑚%(316𝐿)
100% ∗ (100𝑔 − 𝑚(𝑁𝑎𝐶𝑙)) (2) 𝑚(𝑆𝑖3𝑁4) =𝑚%(𝑆𝑖3𝑁4)
100% ∗ (100𝑔 − 𝑚(𝑁𝑎𝐶𝑙)) (3) 𝑚(𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑖𝑖𝑛𝑖) =𝑚%(𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑖𝑖𝑛𝑖)
100% ∗ 𝑚(𝑠𝑒𝑜𝑠) (4)
Taulukko 1. Valmistettujen raaka-aineseosten komponenttien pitoisuudet ja massat.
m (seos) m (NaCl) m (316L+Si₃N₄) Si₃N₄ m (Si₃N₄) m (316L) parafiini m (parafiini)
100,0 g 20,0 g 80,0 g 0,5m% 0,4 g 79,6 g 1,5m% 1,5 g
2,0m% 2,0 g
100,0 g 20,0 g 80,0 g 1,0m% 0,8 g 79,2 g 1,5m% 1,5 g
2,0m% 2,0 g
100,0 g 20,0 g 80,0 g 3,0m% 2,4 g 77,6 g 1,5m% 1,5 g
2,0m% 2,0 g
100,0 g 20,0 g 80,0 g 5,0m% 4,0 g 76,0 g 1,5m% 1,5 g
2,0m% 2,0 g
Jauhettu PolyMIM® -materiaali ja natriumkloridi olivat suhteellisen hienoksi jauhettua materiaalia, hiukkaskoko millimetri- ja mikrometriluokkaa (PolyMIM® 2,0mm ja NaCl 200-315µm), ja piinitri- din ollessa tästä vielä huomattavasti hienompaa hiukkaskoon ollessa nanometriluokkaa (<50nm).
Johtuen aineiden suhteellisen pienistä partikkeliko’oista käytettiin aineita käsiteltäessä kaikissa työ- vaiheissa ruiskuvaluun asti normaalin suojavaatetuksen lisäksi vielä FFP3-luokan hengityssuojainta, jotta vältyttäisiin mahdolliselta partikkelien sisäänhengittämiseltä. Piinitridin pitoisuuksiksi valittiin 1m%, 3m% ja 5m% suhteessa polyMIM® -seokseen ja huokoisuuden tuottamiseen käytetyn natrium- kloridin suhteellisiksi osuuksiksi valittiin 10m%, 20m% ja 30m%, suhteessa yhteenlaskettuun poly- MIM® ja piinitridin määrään. Aluksi käytetyksi valittuja piinitridin pitoisuuksia jouduttiin muutta- maan, sillä kappaleiden ruiskuvalua yrittäessä piinitridipitoisuudeltaan 5m% oleva seos ei enää ruis- kuvalulaitteessa sulanut valettavuudeltaan riittävän notkeaksi, joten 5m% sijaan kolmanneksi piini- tridin pitoisuudeksi päätettiin valita 0,5m%. Kuvassa 11 on ruiskuvalulaitteen sylinteristä tyhjennetty 5m% piinitridiä sisältävä raaka-aineseos. Alhaisemmilla piinitridin pitoisuuksilla seokseen lisätty pa- rafiini ja PolyMIM-seoksen sisältämä PEG sulivat siinä määrin että seosmassasta tuli riittävään not- keaa ruiskuvalulaitteen valutapahtumaa varten.
24
Kuva 11. Ruiskuvalulaitteen sylinteristä poistettua 5m% piinitridiä sisältävää seosta
5.2. Menetelmät ja laitteistot
5.2.1. Raaka-aineseosten valmistus
Valmiina seoksena toimitettu PolyMIM® -materiaali oli pellettimuodossa, joten ennen käyttöä se jauhettiin hienommaksi Retsch ZM-200 keskipakomyllyllä. PolyMIM® -materiaali jauhettiin myl- lyllä 2,0mm partikkelikokoon, mikä oli sopiva jatkokäyttöä varten. PolyMIM® -materiaalin jauha- minen myllyllä oli suhteellisen tehokasta, pellettimuodossa ollutta PolyMIM® -materiaalia sai syöt- tää myllyyn melko reilusti ja materiaali jauhautui käytännössä välittömästi myllyssä. Käytetty keski- pakomylly on kuvassa 12.
Kuva 12. Retsch ZM-200 keskipakomylly
25
Huolimatta muiden käytettyjen lähtöaineiden valmiiksi suhteellisen hyvästä ja homogeenisesta jau- hemaisesta koostumuksesta jauhettiin punnittu raaka-aineseos vielä analyysimyllyllä (Ika Labortech- nik A10, kuva 13), jotta varmistuttaisiin raaka-aineseoksen homogeenisuudesta.
Kuva 13. Ika Labortechnik A10 analyysimylly
Ensimmäisen raaka-aineseoksen pientä erää jauhaessa havaittiin, että käytetty piinitridi pyrki erot- tumaan analyysimyllyssä johtuen ilmeisesti piinitridin huomattavasti jauhettua PolyMIM® -materi- aalia pienemmästä partikkelikoosta. Tämä erottuminen näkyy kuvassa 14, jossa vasemmalla on tasai- sen vaalean harmaata seosta ennen jauhamista ja oikealla vastaavasti jauhamisen jälkeen, jolloin jau- heet olivat selvästi erottuneet. Kuvassa 14 oikealla puolella analyysimyllyn pohjalla tummempi jauhe on PolyMIM® -materiaali ja selkeästi lähes puhtaan valkoisena pinnalla ja analyysimyllyn terän päällä näkyvä jauhe on piinitridiä. PolyMIM® -materiaalin ja piinitridin analyysimyllyllä jauhamisen aiheuttamasta erottumisesta ja silmämääräisesti arvioituna astiana käytettävän purkin käsin ravista- malla sekoittamisen tuottaman suhteellisen hyvän sekoittumisen seurauksena päädyttiin jättämään seoksen jauhaminen analyysimyllyllä suorittamatta.
26
Kuva 14. polyMIM® -materiaalin ja piinitridin erottuminen analyysimyllyssä, vasemmalla seos en- nen jauhamista ja oikealla jauhamisen jälkeen
PSH-materiaalina käytetty natriumkloridi seulottiin Retch AS200 -seularavistimella (Kuva 15). Seu- lonnassa seulan ravistelun amplitudin käytettiin likimain arvoa 50 ja yksittäisen seulontajakson ai- kana 30-45min riippuen hieman kuinka paljon kulloisellakin seulontakerralla suolaa seulottiin. Eri silmäkoon omaavia seuloja käytettiin siten, että pohja-astian päälle asetettiin ensin 200µm silmäkoon seula, sen päälle 315µm silmäkoon seula ja päällimmäiseksi 400µm silmäkoon seula. Seulotusta suolta käytettäväksi otettiin 200-315µm raekoko.
Kuva 15. Suolan seulonnassa käytetty seula (Retch AS200)
27 5.2.2. Kappaleiden valmistus
Valmiista jauheseoksesta ruiskuvalettiin kappaleita Thermo Scientificin Haake MiniJet II -ruisku- valulaitteella, kyseinen ruiskuvalulaite ja siinä käytetty sylinteri ovat kuvassa 16; vasemmalla ruis- kuvalulaite ja oikealla laitteessa käytettävä sylinteri. Kappaleita valmistettiin kahdenlaisia, suorakai- teen muotoisia kappaleita kulutuskestävyystestejä varten ja luuta muistuttavia kappaleita taivutustes- tejä varten. Lisäksi pelkästä polyMIM® -seoksesta valmistettiin kulutustesteissä käytettäviä muodol- taan pieniä luoteja muistuttavia pinnejä. Taulukossa 2 on listattuna kappaleiden valmistuksessa käy- tetyt ruiskuvalulaitteen parametrit ja kuvassa 16 on esitetty käytetty ruiskuvalukone ja ruiskuvalu- koneen sylinteri.
Taulukko 2. Kappaleiden valmistuksessa käytetyt ruiskuvalulaitteen parametrit kappaleet T (sylinteri) / ℃ T (muotti) / ℃ p / bar t / s
tribotestit 190 70 550 3
taivutustestit 215 80 550 8
luodit 190 70 550 3
Kuva 16. Thermo Scientificin Haake MiniJet II -ruiskuvalulaite ja laitteessa käytetty sylinteri
28
Ruiskuvalulaitteella valmistettiin tutkimuksia varten kolmenlaisia kappaleita, suorakaiteen mallisia tribologisiin mittauksiin käytettyjä kappaleita, luun muotoa muistuttavia taivutustesteihin käytettyjä kappaleita ja pienehköjä luoteja muistuttavia pinnejä, joita käytettiin vastinkappaleina tribologisissa mittauksissa. Käytettyjen muottien puolikkaat on esitetty kuvassa 17, a) tribotestauskappaleiden, b) taivutustestikappaleiden ja c) luotien/pinnien valmistukseen käytetyt muotin puolikkaat.
Kuva 17. Ruiskuvalulaitteessa käytetyt muottien puolikkaat; a) tribotestauskappaleiden, b) taivutus- testikappaleiden ja c) luotien/pinnien valmistukseen käytetyt muotin puolikkaat
5.2.3. Kappaleiden käsittelyt ennen sintrausta
Kun vihreät kappaleet oli saatu valmistettua ruiskuvalulaitteella, aseteltiin ne labrasta löytyneistä tarvikkeista valmistettuun telineeseen, laskettiin liuotukseen ionivaihdetulla vedellä täytettyyn kol- men litran dekantterilasiin, jossa oleva vesi pidettiin 60℃ lämpötilassa ja kappaleita pidettiin liuotuk- sessa 8-12h kerrallaan. Liotusta jatkettiin käytännössä aina yön yli ja jokaisen liuotuskerran jälkeen kappaleita kuivattiin 100℃, minkä jälkeen ne punnittiin. Liuotus-kuivaus-punnitus sykliä jatkettiin, kunnes kappaleiden massoissa ei tapahtunut enää merkittävää muutosta ja punnittujen massojen eroa- vaisuudet olivat likimain 5% luokkaa verrattuna laskettuihin massoihin, jotka laskettiin kappalekoh- taisesti vesiliukoisten lisäaineiden (NaCl ja PEG) pitoisuuksista paljonko kukin kappale painaisi, kun kaikki vesiliukoiset lisäaineet olisivat liuenneet. Kuvassa 18 on kappaleiden liuotukseen käytetty jär- jestely, kuvassa vetokaapin taustalla kulkevat oranssit letkulinjastot eivät liity liuotukseen.
29
Kuva 18. Primääristen sideaineiden poistoon käytetty liuotusjärjestely
5.2.4. Kappaleiden sintraus
Kun kappaleista oli liuennut käytännössä kaikki raaka-aineseoksen primääriset sideaineet, kappaleet pakattiin soveltuviin rasioihin, joissa ne lähtivät sintrattavaksi Karelia AMK:lle, missä ne sintrattiin Carbolite Gero -sintrausuunissa.
Karelia AMK:lla sintrausprosessi tapahtui vetyilmakehässä. Sintrausuunin lämpötilaa nostettiin en- sin suhteellisen rauhallisesti 600℃:en lämpötilaan kahdeksi tunniksi, minkä jälkeen lämpötilaa ko- hotettiin ensimmäistä lämmitysvaihetta nopeammin 1360℃:en lämpötilaan jälleen kahden tunnin ajaksi. Lopuksi sintrausuunin lämpötila laskettiin suhteellisen nopeasti, mikä samalla aikaansai kap- paleiden jähmettymisen.37
30
Kappaleiden sintraus on viimeinen varsinainen vaihe MIM-prosessissa. Valmistettavat saavuttavat lopullisen lujuutensa ja tiheytensä sintrauksen aikana, kun valettujen kappaleiden partikkelit sitoutu- vat toisiinsa muodostaen kiinteän ja kemiallisesti homogeenisen kappaleen. Kappaleiden sintrauk- sessa sintrausuunissa on useimmiten inertti ilmapiiri, esimerkiksi vakuumi. Sintrausuunia lämmite- tään alussa suhteellisen rauhallisesti haluttuun lopullista sintrauslämpötilaa alhaisempaan lämpöti- laan, jota ylläpidetään halutun aikaa, jotta mahdolliset loput sideaineiden jäämät kappaleissa poistu- vat. Tämän jälkeen sintrausuunin lämpötila kohotetaan suhteellisen nopeasti lopulliseen sintrausläm- pötilaan, jossa lämpötilaa ylläpidetään jälleen haluttu aikajakso, minkä jälkeen lopussa sintrausuunin annetaan jäähtyä melko nopeasti.19
5.2.5. Taivutustestaus
Kun kappaleet palasivat sintrauksesta, voitiinkin aloittaa kokeellisten mittausten suorittaminen kap- paleille. Luun muotoa muistuttaville taivutustestikappaleille suoritettiin taivutuslujuustestit Zwick Z010 testilaitteella. 0m% ja 0,5m% kappaleille suoritettiin kuusi mittausta, 1,0m% kappaleille 5mit- tausta ja 3,0m% kappaleille 7 mittausta. Kyseinen laite (a) ja kuvat testin alku(b)- ja lopputilan- teista(c) on kuvassa 19.
Kuva 19. Zwick Z010 testilaite (a), testikappale ennen (b) ja jälkeen mittauksen (c)
31 5.2.6. Tribologiset testit
Suorakaiteen muotoisille kulutustestikappaleille tehtiin tribologiamittaukset CSM Instruments -tri- botestauslaitteella, joista mittauksista saatiin mittausdatan käsittelyn jälkeen kappaleiden liikekitka- kertoimet selville. Mittaukset suoritettiin käyttäen 3N, 5N ja 10N painoja ja yksittäisen mittauksen aikana laitteisto liikutti kulutustestikappaletta 4cm:n pituista janaa 5cm/s nopeudella edestakaisin ko- konaisuudessaan 100m yhden mittauksen keston ollessa noin 52 minuuttia. Pääasiassa mittaukset tehtiin käyttäen vastinkappaleina ainoastaan piinitridin pitoisuudella 0m% valmistettuja luoteja, mutta vertailun vuoksi päätettiin valmistaa myös kulutustestikappaleita vastaavilla pitoisuuksilla ole- via luoteja, jotta mahdollinen piinitridin läsnäolo myös luodissa saataisiin selville. Kuvassa 20 on kuva CSM Instruments -tribolaitteistosta (a) ja lähikuva kappaleen ja testikappaleen ja luodin ase- moinnista laitteistossa testin aikana (b).
Kuva 20. CSM Instruments -tribometrilaite (a), testikappaleen ja luodin asemointi laitteessa testin aikana (b)
32 5.2.7. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM)
Tribologisten mittausten jälkeen kappaleiden kulutuspinnoista otettiin kuvia pyyhkäisyelektroni- mikroskoopilla (engl. scanning electron microscope, SEM), jotta nähtäisiin lisäainepitoisuuden ja/tai käytetyn painon mahdolliset vaikutukset testikappaleiden kulumiseen. Kuvien ottamiseen käytettiin Hitachin valmistamaa S-4800 pyyhkäisyelektronimikroskooppia, kuvat otettiin käyttäen 5kV:n suu- ruista kiihdytysjännitettä ja joko 40- tai 50-kertaista suurennosta. Käytetty Hitachi S-4800 pyyh- käisyelektronimikroskooppi ja sen ohjaukseen ja mittausdatan keruuseen käytetty tietokone on esi- telty seuraavassa kuvassa 21.
Kuva 21. Hitachi S-4800 pyyhkäisyelektronimikroskooppi ja sen ohjaukseen ja mittausdatan käsitte- lyyn käytetty tietokone
33
6. Tuloksia ja pohdintaa
6.1. Taivutustestit
Taivutustestilaitteen ohjaukseen tietokoneella käytetyn mittausohjelman mittausdatasta piirrettiin kuvaajat kullakin piinitridin pitoisudella valmistettujen kappaleiden mittaussarjoille, missä kappaleen kokema voima (N/mm2) on kuvattuna suhteessa kappaleen venymään(mm). 0m% ja 0,5m% kappa- leille suoritettiin kuusi mittausta, 1,0m% kappaleille 5mittausta ja 3,0m% kappaleille 7 mittausta.
Kuvassa 22 (a-d) on esitetty eri piinitridipitoisuuksien seoksista valmistettujen kappaleiden jänni- tys/venymä -kuvaajat.
Kuva 22. Eri piinitridipitoisuudella valmistettujen kappaleiden mitatut jännitysvoimat (N/mm2) ku- vattuna venymän (mm) funktiona. a) 0m% piinitridiä; b) 0,5m% piinitridiä; c) 1,0m% piinitridiä; d) 3,0m% piinitridiä
34
Kuten kuvan 22 kuvaajista (a-d) nähdään, ilman lisäainetta valmistettujen kappaleiden mittauksissa on hajontaa vähiten ja lisäaineen pitoisuuden kasvaessa myös mittausten hajonta kasvaa jonkin ver- ran. Mutta kuvaajista voidaan havaita myös lisäaineen pitoisuuden kasvun vaikuttavan jännitysvoi- maan, joka suhteessa kappaleen venymään vaikuttaisi hieman kasvavan lisäaineen pitoisuuden kas- vaessa valmistetuissa kappaleissa.
Taivutustestilaitteiston kullekin yksittäiselle kappaleelle mittauksen yhteydessä antamista Youngin moduulin (kimmokerroin, kimmomoduuli) ja mittauksen aikana kappaleisiin kohdistuneista maksi- mivoimista kullakin piinitridin pitoisuudella laskettiin jokaisen mitatun sarjan keskiarvot ja keskiar- vojen keskivirheet, jotka on esitetty seuraavissa kuvissa 23 ja 24 piinitridin pitoisuuden funktiona.
Virhepalkit kuvissa edustavat edellä mainittuja keskiarvojen keskivirheiden arvoja.
Kuva 23. Kimmokertoimen keskiarvo piinitridin pitoisuuden funktiona
35
Kuva 24. Maksimivoiman (Rm) keskiarvo piinitridin pitoisuuden funktiona
Muuten virheiden arvot ovat suhteellisen pieniä, ainoana selvempänä eroavaisuutena muihin on 1,0m% piinitridin pitoisuudella mitattujen kimmokertoimien keskivirhe (kuva 23). Tämä todennäköi- sesti selittyy kyseisen mittaussarjan kappaleen numero 3 jännitys-venymä-käyrän alkuosuuden poik- keavuudella muista kyseisen mittaussarjan käyristä, tämän eron näkee hyvin kuvan 22 kuvaajasta c, missä harmaa käyrä edustaa kappaletta numero 3. Lineaarinen suoran sovitus maksimivoimalle Rm, jolle Excelin määrittämä korrelaatiokerroin on kohtuullisen hyvä 0,8346. Myös kimmokertoimelle kokeiltiin tehdä lineaarinen suoran sovitus Excelissä, mutta kimmokertoimen tapauksessa korrelaatio kerroin oli lähes nolla, vain 0,0021. Myös keskiarvojen keskivirheet ovat verrattain suurempia kim- mokertoimelle kuin maksimivoimalle. Sekä kimmokertoimen että maksimivoiman Rm tapauksessa hyvin mielenkiintoiseksi mittausten tulokset eri pitoisuuksilla tekee muutos 0m% pitoisuudesta 0,5m%, koska molemmissa tapauksissa keskiarvo laskee, maksimivoiman laskiessa noin 7% ja kim- mokertoimen laskiessa jopa noin 23%. Kumminkin pitoisuuden noustessa 0,5m%:sta 1,0m%:iin tai 1,0m%:sta 3,0m%:iin molemmat arvot kasvavat noin 10% edeltävän pitoisuuden arvoon verrattuna.
Tosin on huomioitavaa eo. kuvaajien lineaarisista suoran sovituksista on se, ettei ole etukäteen ollut tiedossa tulisiko kimmokertoimen ja maksimivoiman edes käyttäytyä lineaarisesti suhteessa piinitri- din pitoisuuteen, jossain määrin siltä kyllä vaikuttaisi, mutta oudoksi asian tekee edellä mainitut ar- vojen pudotukset 0m% ja 0,5m% lisäainepitoisuuksien välillä varsinkin kimmokertoimen tapauk- sessa.
36
6.2. Tribologiset mittaukset
Tribologiset mittaukset kappaleille tehtiin käyttäen sekä ilman lisäainetta valmistettuja, että kutakin lisäaineistettujen kappaleiden pitoisuutta vastaavilla lisäainepitoisuuksilla valmistettuja vastinkappa- leluoteja. Lisäaineistamattomilla luodeilla mittauksissa käytettiin 3N, 5N ja 10N painoja. Johtuen valmistettujen suorakaiteen mallisten kulutustestikappaleiden lukumäärästä, jälkikäsittelyvaiheissa muutaman kappaleen katkeamisesta ja varsinkin 3m% pitoisuudella valmistettujen kappaleiden suh- teellisen epätasaisesta muodosta johtuen lisäaineistetuilla luodeilla suoritettiin tribologiset mittaukset vain 3N ja 5N painoilla, sillä käytettävissä olleilla kappaleilla ei yksinkertaisesti riittänyt tilaa suorit- taa enempää ajoja. 3m% pitoisuudella olleista sintratuista kappaleista kaksi kappaletta kuudesta val- mistetusta oli myös niin huonolaatuisia, että päätettiin kyseisiä kappaleita olla käyttämättä ollenkaan mittausten suorittamiseen. Seuraavissa kappaleissa 6.2.1. ja 6.2.2. esiintyvissä kuvaajissa jokaisen eri värisen pistejoukon muodostama käyrä edustaa yhtä yksittäistä mittausta.
6.2.1. Lisäaineistamattomilla luodeilla tehdyt mittaukset
Seuraavissa kuvassa 25 ja 26 on esitetty 0m% ja 0,5m% piinitridipitoisuudella valmistettujen kap- paleiden tribologisten testien tulokset, eri värit kuvaajissa edustavat kukin yksittäiselle kappaleelle tehtyä mittausta. Mittaukset suoritettiin käyttäen 3N, 5N ja 10N painoja. Kuvaajissa on esitetty kit- kakerroin µ kuljetun matkan (metreissä) funktiona.
Kuva 25. 0m% piinitridiä sisältävien kappaleiden tribologiset mittaustulokset, eri painoilla. Yläva- semmalla 3N painolla, yläoikealla 5N painolla ja alhaalla keskellä 10N painolla tehdyt ajot.
37
Kuva 26. 0,5m% piinitridiä sisältävien kappaleiden tribologiset mittaustulokset, eri painoilla. Yläva- semmalla 3N painolla, yläoikealla 5N painolla ja alhaalla keskellä 10N painolla tehdyt ajot.
Seuraavassa kuvissa 27 ja 28 on esitetty 1,0m% ja 3,0m% piinitridiä sisältävien kappaleiden tribo- logisten testien tulokset, eri värit kuvaajissa edustavat kukin yksittäiselle kappaleelle tehtyä mittausta.
Mittaukset suoritettiin käyttäen 1,0m% pitoisuudelle 3N, 5N ja 10N painoja, kun taas 3,0m% kappa- leille ajot suoritettiin vain 3N ja 5N painoja käyttämällä. 3,0 m% piinitridipitoisuuden kappaleille ei tehty 10N ajoja, koska osa valmistetuista kappaleista oli niin huonolaatuisia, ettei niiden katsottu olevan käyttökelpoisia testeihin mistä johtuen myöskään käyttökelpoisissa kappaleissa ei olisi ollut riittävästi tilaa useampien testiajojen tekemiseen.
38
Kuva 27. 1,0m% piinitridiä sisältävien kappaleiden tribologiset mittaustulokset, eri painoilla. Yläva- semmalla 3N painolla, yläoikealla 5N painolla ja alhaalla keskellä 10N painolla tehdyt ajot.
Kuva 28. 3,0m% piinitridiä sisältävien kappaleiden tribologiset mittaustulokset, eri painoilla. Va- semmalla 3N painolla ja oikealla 5N painolla tehdyt ajot.
39 6.2.2. Lisäaineistetuilla luodeilla tehdyt mittaukset
Tutkimuksen aikana nousi ajatus tehdä tribologiset mittaukset kunkin piinitridin pitoisuuden omaa- ville käyttäen vastaavalla piinitridin pitoisuudella valmistettuja vastinkappaleena käytettyjä luoteja.
Mittausten toteutuksessa itsessään ei ollut mitään eroavaisuuksia aiempiin vaan kaikki parametrit oli- vat samoja, ajot tehtiin kuitenkin vain 3N ja 5N painoja käyttäen. 3,0m% kappaleiden huonosta laa- dusta johtuen niille kyettiin tekemään vain yksittäiset mittaukset. Seuraavissa kuvissa 29, 30 ja 31 on esitetty 0,5m%, 1,0m% ja 3,0m% piinitridiä sisältävien kappale-luoti-parien tribologisten testien tu- lokset, eri värit kuvaajissa edustavat kukin yksittäiselle kappaleelle tehtyä mittausta.
Kuva 29. 0,5m% piinitridiä sisältävien kappale-luoti-parien tribologiset mittaustulokset, eri pai- noilla. Vasemmalla 3N painolla ja oikealla 5N painolla tehdyt ajot.
Kuva 30. 1,0m% piinitridiä sisältävien kappale-luoti-parien tribologiset mittaustulokset, eri pai- noilla. Vasemmalla 3N painolla ja oikealla 5N painolla tehdyt ajot.
40
Kuva 31. 3,0m% piinitridiä sisältävien kappale-luoti-parien tribologiset mittaustulokset, eri pai- noilla. Vasemmalla 3N painolla ja oikealla 5N painolla tehdyt ajot.
Tribologisten mittausten tulosten perusteella vaikuttaisi hyvin vahvasti siltä, että piinitridillä ei ole vaikutusta liikekitkakertoimen suuruuteen. Edellä esitetyistä kuvaajista approksimoitiin Excelillä jo- kaisen kuvaajan lineaariselta loppuosuudelta, havaittiin että jokaisessa eri tilanteessa kitkakerroin ta- saantui likimain 0,52 ja 0,56 välille. Kitkakertoimeen ei siis näyttäisi vaikuttavan lisäaineena käytetyn piinitridin pitoisuus itse testikappaleessa tai vastinkappaleena käytetyssä luodissa, eikä myöskään käytetyllä painolla näyttäisi olevan vaikutusta kitkakertoimen arvoon.
6.3. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM) -kuvaukset
Tribologisia mittauksia varten valmistettujen kappaleiden pinnoista otettiin kuvia pyyhkäisyelekt- ronimikroskoopilla kullakin kappaleen ja pinnin pitoisuuksien yhdistelmillä ja painoilla tehtyjen tri- bologisten mittausten jälkeen sekä testissä muodostuneen uran kohdalta että koskemattomalta pin- nalta. Lisäksi muodostuneiden urien leveyksiä määritettiin kuvista, jotta nähtäisiin mahdolliset erot muodostuneiden urien leveyksissä. Lisäksi sekä tribotestikappaleet että vastinkappaleina käytetyt luodit punnittiin ennen ja jälkeen testiajojen, jotta nähtäisiin mahdolliset massojen muutokset. Seu- raavissa kappaleissa on esiteltynä erikseen lisäaineistetuilla ja lisäaineistamattomilla vastinkappale- luodeilla tehdyissä tribologisissa testeissä syntyneet kulutusjäljet. Jokaisessa kuvakoosteessa on esi- merkkikuvat kyseisen lisäainepitoisuuden kappaleen koskemattomasta pinnasta ja jokaisella käyte- tyllä painolla tehdyssä ajosta muodostuneesta kulutusjäljestä, lisäksi kulutusjälkiin on luotu SEM- laitteen hallintaan käytetyltä tietokoneelta löytyvällä ohjelmistolla mittajanat, joista käy ilmi muo- dostuneen kulutusjäljen leveys.
41
6.3.1. Lisäaineistamattomilla luodeilla tehtyjen mittausten SEM-kuvat
Seuraavissa kuvissa 32 ja 33 on esitettynä SEM-kuvat 0m% ja 0,5m% piinitridiä sisältävien kappa- leiden pinnoista ennen ja jälkeen tribologisten testien. Kappaleiden pinnoissa oli jo silmämääräisesti arvioituna hieman epätasaisuutta, joista johtuen kulutusjäljet eivät ole aivan tasareunaisia, mutta ku- vien perusteella voidaan sanoa kulutusjäljen kasvavan hieman, kun testissä käytetty paino kasvaa.
Lisäksi huomioitavaa että kuvassa 33 10N painolla tehdystä ajosta otettu kuva on otettu 40x suuren- noksella, kun muut kuvan 33 ja kaikki kuvan 32 kuvat ovat 50x suurennoksella, 10N ajon kuvassa jälki ei olisi mahtunut koko leveydeltään kuvaan.
Kuva 32. SEM-kuvat 0m% kappaleiden pinnoista, a) koskematon pinta, b) pinta 3N painolla tehdyn testin jälkeen, c) 5N painolla tehdyn testin jälkeen ja d) 10N painolla tehdyn testin jälkeen.
42
Kuva 33. SEM-kuvat 0,5m% kappaleiden pinnoista, a) koskematon pinta, b) pinta 3N painolla tehdyn testin jälkeen, c) 5N painolla tehdyn testin jälkeen ja d) 10N painolla tehdyn testin jälkeen.
Kuvissa 34 ja 35 on vastaavasti esitettynä SEM-kuvat 1,0m% ja3,0 m% piinitridiä sisältävien kap- paleiden pinnoista ennen ja jälkeen tribologisten testien. Samoin kuten edellä olevissa 0m% ja 0,5m%
tapauksissa, myös 1,0m% ja 3,0m% kappaleiden pinnoissa oli silmämääräisesti arvioituna epätasai- suutta, mistä johtuen kulutusjäljet eivät ole tasaisia, mutta kuvien perusteella nähdään kulutusjäljen leveyden edelleen kasvavan, kun testissä käytetty paino kasvaa. Lisäksi huomioitavaa että kuvissa 10N painolla tehdystä ajosta otetut kuvat on otettu 40x suurennoksella, kun muiden tilanteiden kuvat ovat 50x suurennoksella, sillä vastaavasti kuten edellä kuvassa 33, 10N ajolla tehtyjen testien jälki ei olisi mahtunut kokonaan kuvaan 50x suurennosta käytettäessä.
43
Kuva 34. SEM-kuvat 1,0m% kappaleiden pinnoista, a) koskematon pinta, b) pinta 3N painolla tehdyn testin jälkeen, c) 5N painolla tehdyn testin jälkeen ja d) 10N painolla tehdyn testin jälkeen.
Kuva 35. SEM-kuvat 3,0m% kappaleiden pinnoista, a) koskematon pinta, b) pinta 3N painolla tehdyn testin jälkeen ja c) 5N painolla tehdyn testin jälkeen.
44
6.3.2. Lisäaineistetuilla luodeilla tehtyjen mittausten SEM-kuvat
Seuraavissa kuvissa 36, 37 ja 38 on esitettynä SEM-kuvat 0,5m%, 1,0m% ja 3,0m% lisäaineistetuilla kappale-luoti-pareilla suoritettujen tribologisten testien aikana kappaleiden pinnoille syntyneistä ku- lutusjäljistä. Lisäaineistetuilla luodeilla suoritettiin mittaukset 3N ja 5N painoja käyttäen. Verratta- essa kullakin kappale-luoti-pareilla tehtyjen tribologisten testien SEM-kuvia vastaaviin lisäaineista- mattomien testien jälkien leveyksiin, vaikuttaisi kulutusjäljen leveys kasvavan hieman. Tosin tämä voi myös johtua vain kappaleissa esiintyneen epätasaisuuden vaihteluista.
Kuva 36. SEM-kuvat 0,5m% piinitridiä sisältävien kappale-luoti-parien mittauksissa syntyneistä pin- noista; a) koskematon pinta, b) pinta 3N painolla tehdyn testin jälkeen ja c) 5N painolla tehdyn testin jälkeen.
45
Kuva 37. SEM-kuvat 1,0m% pitoisuuden kappale-luoti-parien mittauksissa syntyneistä pinnoista; a) koskematon pinta, b) pinta 3N painolla tehdyn testin jälkeen ja c) 5N painolla tehdyn testin jälkeen.
Kuva 38. SEM-kuvat 3,0m% pitoisuuden kappale-luoti-parien mittauksissa syntyneistä pinnoista; a) koskematon pinta, b) pinta 3N painolla tehdyn testin jälkeen ja c) 5N painolla tehdyn testin jälkeen.
