1C0VX5MU5 XX Vß KU UMIST ČASOPIS ZA VAKUUMSKO ZNANOST, TCHNIKO IN TCHNOIOGIJC, VAKUUMSKO tjf.u. 1kV Correction-off хЗОО.ООО 1 kV Correction-on X 300,000 VSEBINA ČLANKI_ * Vakuumsko indukcijsko taljenje (Franc Zupanič) ............................................... 4 * Lasersko reparaturno varjenje dupleksno zaščitenih orodnih jekel (Janez Tušek, Tadej Muhič, Matej Pleterski, Damjan Klobčar)................................................................ 9 * Sanacija termorazpok na orodjih za tlačno litje z lasersko tehnologijo (Matej Pleterski, Janez Tušek, Tadej Muhič, Klemen Pompe).................................................................. 16 * Anodni ionski izvir (Miha Čekada, Markus Kahn, Wolfgang Waldhauser).............................. 20 * Vakuum Trubarjevih dni (ob 500-letnici Trubarjevega rojstva) (Stanislav Južnič)........................ 23 SPONZORJI VAKUUMISTA: - Ministrstvo za visoko šolstvo, znanost in tehnologijo - PFEIFFER Vacuum Austria GmbH Obvestilo Naročnike Vakuumista prosimo, da čim prej poravnate naročnino za leto 2007. Cena številk, kolikor jih bo izšlo v letu, je 20,00 EUR VAKUUMIST Izdaja Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije Glavni in odgovorni urednik: dr. Peter Panjan Uredniški odbor: dr. Miha Čekada, mag. Andrej Demšar, dr. Jože Gasperič (urednik za področje vakuumske tehnike in sistemov), dr. Bojan Jenko, dr. Monika Jenko (urednica za področje vakuumske metalurgije), dr. Stanislav Južnič, dr. Janez Kovač, dr. Ingrid Milošev, dr. Miran Mozetič, dr. Vinko Nemanič, dr. Boris Orel, mag. Andrej Pregelj, dr. Janez Setina, dr. Alenka Vesel in dr. Anton Zalar Tehnični urednik: Miro Pečar Lektor: dr. Jože Gasperič Korektor: dr. Miha Čekada Naslov: Uredništvo Vakuumista, Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Teslova 30, 1000 Ljubljana, tel. (01) 477 66 00 Elektronska pošta: DVTS.group@guest.arnes.si Domača stran DVTS: http://www2.arnes.si/~ljdvts/ Vakuumist on-line: http://www2.arnes.si/~ljdvts/slo/arhiv.htm Številka transakcijskega računa pri NLB: 02083-0014712647 Oblikovanje naslovne strani: Ignac Kofol Tisk: Littera picta, d. o. o., Rožna dolina, c. IV/32-36, 1000 Ljubljana Naklada: 400 izvodov VAKUUMSKO INDUKCIJSKO TALJENJE Franc Zupanič Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru, Smetanova 17, 2000 Maribor POVZETEK Pri vakuumskem indukcijskem taljenju talimo kovinske materiale z električno indukcijo v vakuumu. Postopek je primeren skoraj za vse kovinske materiale, prednostno pa se uporablja za primarno taljenje zlitin, ki vsebujejo zelo reaktivne elemente, saj zagotavlja njihov dober izkoristek ter ponovljivo doseganje načrtovane kemijske sestave. Prav tako je nepogrešljiv za visokotehnološko zahtevne zlitine, kjer se zahteva izredno majhna vsebnost plinov, lahkoizparljivih elementov ter majhen delež nekovinskih vključkov. Kljub številnim dobrim stranem vakuumskega indukcijskega taljenja kakovost ulitkov po taljenju in litju ni zadostna pri najzahtevnejših rabah, zato se v teh primerih ulitki ponovno pretalijo (npr. z vakuumskim obločnim taljenjem, taljenjem z elektronskim curkom) in nato preoblikujejo. Vacuum induction melting ABSTRACT Vacuum induction melting (VIM) is used for melting of metallic materials by using electrical induction under vacuum conditions. The process is appropriate for almost all metallic materials and is preferentially used for primary melting of alloys that contain very reactive elements (superalloys, titanium alloys, tool and magnetic steels). It assures high yield of reactive alloying elements and reproducible attainment of required chemical composition. VIM is also inevitable for production of demanding high-performance alloys that must contain very small amounts of gases, harmful trace elements and non-metallic inclusions. Despite numerous advantages of VIM the quality of castings is often insufficient for highly demanding applications, therefore castings must be remelted (e. g. by vacuum arc remelting and electron beam melting) and exposed to forming operations. 1 UVOD Vakuumsko indukcijsko taljenje je postopek taljenja kovin z električno indukcijo v vakuumu. Čeprav segajo začetki vakuumskega indukcijskega taljenja že v konec devetnajstega stoletja (1), je postal postopek industrijsko pomemben šele v petdesetih letih dvajsetega stoletja. Pomemben razlog za to je bil tudi razvoj zelo učinkovitih vakuumskih črpalk, ki so jih razvili v okviru ameriškega jedrskega programa (2). Predvsem pa so se povečale zahteve pri izdelavi zlitin, odpornih proti visokim temperaturam, in superzlitin1, ki vsebujejo velike količine reaktivnih elementov, kot sta aluminij in titan, in ki morajo imeti veliko trajnost in zanesljivost. Zaradi uporabe vakuumskega indukcijskega taljenja sta se zmogljivost in vzdržljivost reaktivnih motorjev zelo povečala (3,4). To je bilo zelo pomembno tako za vojaško kot tudi za civilno letalstvo. Uspeh pri proizvodnji superzlitin z vakuumskim indukcijskim taljenjem je spodbudil tudi proizvodnjo drugih strateško pomembnih zlitin, ki se uporabljajo v jedrskih reaktorjih ter v elektroniki. Še dodatna dobra stran je, da se zaradi majhnih izgub elementov uporablja pri izdelavi drugih zlitin, pri katerih odsotnost plinov in nekovinskih vključkov ne igra tako pomembne vloge. Vakuumsko indukcijsko taljenje je najbolj fleksibilno med postopki vakuumskega taljenja, ker omogoča neodvisno spreminjanje temperature, tlaka in masnega transporta. Slednje omogoča mešanje taline, ki jo povzročajo inducirani tokovi. Zato lahko pri vakuumskem taljenju ponovljivo dosežemo želeno kemijsko sestavo taline v zelo ozkih tolerančnih mejah; in to ne le deleže želenih zlitinskih elementov, temveč tudi deleže koristnih in škodljivih elementov v sledovih. Zlitine, ki jih vakuumsko indukcijsko talimo, so: - nikljeve superzlitine (2-6) - kobaltove zlitine (3,4) - bakrove zlitine, predvsem malolegirane s Cr, Zr (7) - orodna jekla (3) - nerjavna jekla (8) - magnetne zlitine (3) - titanove zlitine (9) - intermetalne zlitine (10) - posebne aluminijeve zlitine (11) 2 VAKUUMSKE INDUKCIJSKE PEČI Vakuumske indukcijske peči se močno razlikujejo po velikosti (2,5). Na razpolago so majhne laboratorijske peči (slika 1 a), v katerih lahko stalimo le nekaj kilogramov zlitine, do velikih industrijskih peči (slika 1 b), ki imajo kapaciteto tudi do 60 t. Shematičen prikaz vakuumske komore je na sliki 2. Vakuumska komora je navadno iz vodno hlajene jeklene konstrukcije. Pri manjših pečeh je enokomorna, to pomeni, da poteka taljenje in litje v isti komori, pri večjih pa je navadno dvokomorna, kjer potekata taljenje in litje v različnih komorah. Na sliki 1b je prikazana celo trikomorna izvedba, kjer je v sredinski komori indukcijska peč, levo je komora za klasično litje ingotov, desno pa komora za horizontalno kontinuirno litje. Primeren vakuum se doseže navadno z mehanskimi vakuumskimi črpalkami, ki imajo hitrost črpanja do 5 000 L/s. Tlak v komori je v območju srednjega vakuuma (10-3-10-1 mbar). Pred začetkom 1 Superzlitine so zlitine, ki imajo veliko trdnost pri povišani temperaturi ter so hkrati odporne proti visokotemperaturni koroziji. Med te spadajo zlitine na osnovi niklja, železa in niklja ter kobalta. Slika 1: Vakuumski indukcijski peci. a) Laboratorijska peč na Inštitutu za tehnologijo materialov, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru. b) Shematičen prikaz šesttonske vakuumske indukcijske peči, v kateri je mogoče vakuumsko litje ingotov in horizontalno kontinuirno litje (takšno peč imajo v podjetju Ross & Catherall, Sheffield, Velika Britanija). vakuumiranja se peč založi s trdnim vložkom, ki je sestavljen iz deviškega vložka ter povratnega materiala. Pri izdelavi bakrovih zlitin je lahko vložek izjemoma tudi tekoč, kar bistveno zmanjša porabo energije za taljenje (7). Talilni lonci so iz oksidne keramike, najpogosteje iz MgO, ZrO2 in Al2O3. Manjši lonci so iz enega dela, nekoliko večji pa so obzidani z opeko. Pogosto se lonci izdelajo tudi z nabijanjem (phanjem) ter se morajo sintrati na mestu pred prvim taljenjem. Moč indukcijskih peči se giblje v širokem razponu od 30 kW ter tudi do 10 MW. Frekvenca izmeničnega toka je lahko mrežna (50 Hz), srednja (nekaj tisoč hercov) in visoka (nad 10 000 Hz). Uporabljena frekvenca je odvisna od vložka, ki ga uporabljamo, ter od stopnje mešanja taline, ki jo želimo doseči. Velja, daje višja frekvenca primerna za taljenje drobnejšega vložka, Slika 2: Vakuumska indukcijska peč: Shematičen prikaz delovanje vakuumske indukcijske peči. Taljenje poteka v vakuumski komori pri tlaku 10-3-10-2 mbar. a) V vložku nastanejo vrtinčni tokovi, ki so zaradi kožnega pojava zgoščeni na površini vložka. b) Po stalitvi vrtinčni tokovi povzročijo dobro mešanje taline. Talilni lonec srednjefrekvenčne vakuumske indukcijske peči c) pri segrevanju vložka v obliki palic in č) po stalitvi; v talino je potopljen termoelement. medtem ko je mešanje taline pri višji frekvenci manj intenzivno. 3 PROCESI PRI TALJENJU Pri segrevanju in taljenju vložka teče skozi ovoje vodno hlajene tuljave (slika 2) izmenični električni tok. V tuljavi nastane spremenljivo in nehomogeno Slika 3: Spreminjanje tlaka v vakuumski komori vakuumske indukcijske pe~i pri taljenju nikljeve superzlitine magnetno polje, ki v električno prevodnem vložku inducira vrtinčne tokove. Zaradi njih se sprošča Joulova energija, ki segreva vložek. Zaradi kožnega pojava (skin efekta) vrtinčni tokovi tečejo pretežno po površini kosov, pri čemer je prodorna globina obratno sorazmerna frekvenci. Po stalitvi elektromagnetne sile povzročajo mešanje taline (slika 2 b). V novejšem času je eden izmed pomembnih ciljev napovedati in obvladovati tokove v talini, zato se uporabljajo računalniške simulacije, pri katerih je treba hkrati reševati Maxwellove in Navier-Stokesove enačbe. Mešanje taline ima več pozitivnih učinkov: raztapljanje zlitin-skih elementov je hitrejše, talina je bolj homogena, odstranjevanje plinov in nekovinskih vključkov je hitrejše. Procese, ki potekajo pri taljenju nikljevih super-zlitin, lahko spremljamo, če merimo skupni tlak v komori kakor tudi koncentracijo elementov (slika 3). Najpomembnejši procesi potekajo med rafinacijo. Shematično jih prikazuje slika 4. Pri tem je temeljni proces nastajanje CO. Plin CO lahko nastaja z reakcijo ogljika z raztopljenim kisikom, ob redukciji oksidnih vključkov v talini ter pri reakciji ogljika z obzidavo peči. Tako se deleža ogljika in kisika v talini lahko močno zmanjšata. V začetku CO izhaja iz taline v obliki mehurčkov, pravimo, da talina vre. Vrenje je lahko tako močno, da izvrže talino iz lonca. Da bi to preprečili, je treba ob intenzivnejšem vrenju povečati tlak v komori. V zadnji stopnji rafinacije se CO izloča iz taline z desorpcijo s površine. Drugi raztopljeni plini (npr. vodik in dušik) se prav tako izločajo iz taline. Pri tem je koncentracija raztopljenega plina (npr. vodika) sorazmerna delnemu tlaku plina v komori (v primeru vodika delnemu tlaku H2). To pomeni, da bo v talini tem manj raztopljenega plina, čim manjši bo tlak v komori. Nizek tlak v komori tudi olajša izparevanje lahkohlapljivih elementov, zato lahko koncentracijo elementov, kot so Pb, Bi, Mg, Slika 4: Shematičen prikaz procesov, ki potekajo pri rafinaciji nikljeve superzlitine, če jo talimo v loncu iz MgO oziroma ZrO2 močno zmanjšamo. Zaradi redukcije oksidov z ogljikom se močno zmanjša tudi delež nekovinskih vključkov v talini, vendar njihovega deleža ne moremo povsem odpraviti. Namreč, ogljik reagira tudi z materialom lonca, zato postane le-ta na stiku s talino porozen, in delčki (oksidi) se luščijo v talino. Ko koncentracija kisika v talini pade pod določeno mejo, se dodajo reaktivni elementi. To so elementi, ki tvorijo bolj termodinamsko stabilne okside, ki jih ogljik ne more reducirati (12). Preverjanju kemijske sestave sledi litje. Pri nikljevih superzlitinah je najpogostejše klasično litje drogov, ki imajo okrogel prečni prerez ter premer od 30 mm do 300 mm. V zadnjem času poteka intenziven razvoj kontinuirnega litja nikljevih in kobaltovih superzlitin, Slika 5: Kokile za litje drogov Slika 6: Makrostruktura ulitega droga. V sredini je lunker. Prevladujejo usmerjena kristalna zrna, le na sredi je nekaj enakoosnih. medtem ko je kontinuirno litje bakrovih zlitin že dolgo standard. Pri klasičnem litju drogov je makrostruktura sestavljena iz grobih usmerjenih zrn z nekaj enako-osnimi v sredini (slika 6). V njej se pogosto pojavlja lunker, kjer se nahajajo nekovinski vključki in druge nečistoče. Kakovost takšnih ulitkov v glavnem ni zadostna za uporabo takoj po litju oziroma po kasnejšem preoblikovanju, temveč jih je treba še enkrat pretaliti (slika 7). Po sekundarnem taljenju lahko talino atomiziramo, da dobimo prahove za prašno metalurgijo, ali precizijsko lijemo, da dobimo ulitke z ustrezno mikrostrukturo in lastnostmi. S postopki vakuumskega obločnega pretaljevanja, električnega pretaljevanja pod žlindro, taljenja z elektronskim curkom in taljenja s plazmo zlitino še dodatno rafini-ramo, to pomeni, da odstranimo nekovinske vključke ter zmanjšamo koncentracijo plinov in drugih neželenih elementov. Po teh rafinacijskih postopkih zlitino preoblikujemo in dobimo produkte, ki jih lahko uporabimo za najzahtevnejše aplikacije. 4 OSNOVNE ZNAČILNOSTI VAKUUMSKEGA INDUKCIJSKEGA TALJENJA Čistost taline. Pri taljenju v vakuumu preprečimo stik in reakcije z zrakom (s kisikom in z dušikom). Talina je čista, delež nekovinskih vključkov se močno zmanjša. Nadzorujemo lahko tlak in pline, ki se nahajajo v sistemu, uporabljamo lahko tudi varovalne pline, kot je npr. argon. Ulitki imajo bistveno boljše lastnosti, kot tisti, ki so bili taljeni na zraku. Pospešitev rafinacije taline. Odstranitev raztopljenih plinov in izparljivih sestavin je v vakuumu mnogo učinkovitejša. Vakuum pospešuje razpad spojin, kot so oksidi in nitridi, in omogoča, da nekatere reakcije potečejo do konca (npr. dezoksi- Slika 7: Značilnosti vakuumskega indukcijskega taljenja ter možni produkti dacija). Omogoča pretaljevanje odpadnega materiala. Zlitinski elementi postanejo bolj učinkoviti, saj se ne vežejo v neželene spojine. Induktivno mešanje homogenizira taline. Mešanje dviga reaktante do površine taline, kar pospešuje reakcije. Zagotovljen je izreden nadzor nad kemijsko sestavo. Omogoča izredno ponovljivost kemijske sestave in lastnosti. Litje elektrod ali ingotov. Pri tem nastanejo kristalne in blokovne izceje zlitinskih elementov med strjevanjem. Strjevanje povzroči nastanek grobih kristalnih zrn, ki so neenakomerno velika, ter pojav lunkerja v sredini ingota. Reakcije med talino in materialom lonca. Talina se onesnaži zaradi ponovne oksidacije zlitinskih elementov. Nastajajo vključki, čeprav v mnogo manjši meri kot pri taljenju na zraku. V strokovni literaturi se za vakuumsko indukcijsko taljenje uporablja kratica VIM (iz angl. Vacuum Induction Melting). Za izvedenke VIM se uporabljajo še naslednje kratice: VIM-VIDP: VIM with Vacuum Induction Degassing and Pouring (VIM z vakuumskim indukcijskim razplinjanjem in litjem) VID: Vacuum Induction Degassing (vakuumsko indukcijsko razplinjanje) VIM-HCC: VIM with Horizontal Continuous Casting (VIM s horizontalnim kontinuirnim litjem) VIM-VCC: VIM with Vertical Continuous Casting (VIM z vertikalnim kontinuirnim litjem) VIM-DS: VIM with Directional Solidification (VIM z usmerjenim strjevanjem) 5 SKLEPI Vakuumsko indukcijsko taljenje se v industrijski praksi uporablja kot najfleksibilnejši postopek primar- nega taljenja več kot petdeset let. Uporaba vakuuma omogoča izdelavo zlitin z natančno kemijsko sestavo, z majhnim deležem plinov in nekovinskih vključkov. Talimo lahko skoraj vse kovinske materiale, predvsem pa takšne, ki vsebujejo reaktivne zlitinske elemente. Izdelava teh bi bila pri taljenju na zraku praktično nemogoča, v vsakem primeru pa bolj neekonomična. Kakovost vakuumsko indukcijsko taljenih zlitin lahko še dodatno izboljšamo s sekundarnim taljenjem. Glede na značilnosti vakuumskega indukcijskega taljenja lahko pričakujemo, da se bo postopek še dolgo uporabljal v industrijski praksi. LITERATURA 1S. Južnič: Zgodovina raziskovanja vakuuma in vakuumskih tehnik, Društvo za vakuumsko tehniko Slovenije, Ljubljana 2004, str. 107-108 2J. W. Pridgeon, F. N. Darmara, J. S. Huntington, W. H. Suttun: Principles and practice of vacuum induction melting and vacuum arc remelting, The metallurgical society of AIME, 1981, str. 201-216 3Heat Resistant Materials (ur. J. R. Davies), ASM International, 1997, 221-235 4S. J. Patel: A Century of Discovery, Inventors, and New Nickel Alloys, JOM, 2006, str. 18-20 5http://web.ald-vt.de/cms/vakuum-technologie/anlagen/vimvidp/ 6C. Hays, Journal of materials engineering and performance 16 (6) (2007) 730-735 7H. Rupp, Metall, 42 (1988), 356-363 8H. B. Li, Z. H. Jiang, M. H. Shen, Journal of iron and steel research international 14 (2007) 3, 63-68 9A. Mitchell, A. Kawakami, S. L. Cockctoft, High temperature materials and processes 26 (2007) 1, 59-77 10R. Krein, A. Schneider, G. Sauthoff, Intermetallics 15 (2007) 9, 1172-1182 11N. Nayan, K. S. Govind, Materials science and engineering 454 (2007), 500-507 12A. Rosina: Teorija metalurških procesov, Univerza v Ljubljani, Nara-voslovnotehniška fakulteta, Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana 1997, str. 157 LASERSKO REPARATURNO VARJENJE DUPLEKSNO ZAŠČITENIH ORODNIH JEKEL Janez Tušek1, Tadej Muhic2, Matej Pleterski1, Damjan Klobcar1 1Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana 2TKC, d. o. o., Trnovska 8, 1000 Ljubljana POVZETEK V delu opisujemo problematiko in razvoj na področju obladovanja vplivnih parametrov laserskega reparaturnega varjenja dupleksnih zaščitenih orodij za tlačno litje. Laser repair welding of duplex-treated tool steels ABSTRACT The topic of the presented paper are the obstacles and the development of proper parameters for laser repair welding of duplex-treated tools for die casting. drugih poškodb. Visoka gostota energije omogoča zelo natančno navarjanje poškodovanih mest, kar pomeni, da je obdelava navarov na predpisane mere po varjenju zelo enostavna in hitra. Navarjen sloj je mogoče obdelati ročno, kar omogoča reparaturo tudi tistih orodij, za katere orodjarna nima ustreznega orodja za potopno erozijo. 2 POSTOPKI ZAŠČITE ORODNEGA JEKLA 1 UVOD Orodja za tlačno litje so zelo pomembna v hitro razvijajočem se industrijskem svetu. Imajo velik vpliv na produktivnost dobrin, kot so deli avtomobilov, stekleni in polimerni izdelki ter razna ohišija. Glede na okolje, v katerem orodja za tlačno litje uporabljamo, se pojavljajo tudi tipični razlogi za odpoved oziroma poškodbe le-teh. Glavni razlog poškodb orodij so termične razpoke, ki se pojavijo ob cikličnem obremenjevanju orodij. Drugi razlogi za odpoved so konstrukcijski, saj se pojavijo razpoke zaradi neustreznih oz. zahtevnih konstrukcijskih prehodov v orodjih. Nekaj odpovedi pa se zgodi tudi zaradi erozije površine na bolj izpostavljenih delih orodja. Orodja za brizganje plastike so sicer izpostavljena manjšim delovnim temperaturam, ampak so pri teh orodjih tlačni cikli toliko bolj zahtevni. Za sanacijo poškodovanih delov orodij najpogosteje uporabljamo reparaturno varjenje. Z njim lahko ob optimalni tehnologiji pravočasno saniramo poškodbe in tako zmanjšamo škodo zaradi zastoja v proizvodnji. Lasersko reparaturno varjenje se je uveljavilo predvsem za sanacijo manjših vrst obrabe, razpok in 2.1 Nitriranje Za zaščito orodij za tlačno litje najpogosteje uporabljamo različne postopke nitriranja, pri katerih utrjujemo površino železovih zlitin z dodajanjem dušika. Nitrirana plast zaradi velikih zaostalih napetosti v difuzijski plasti izboljša obstojnost orodij pri termičnem utrujanju. Termične razpoke pogosto ostanejo tako lokali-zirane v beli plasti ali pa se zaustavijo na meji z difuzijsko plastjo. Nitriranje nam poveča odpornost proti utrujanju, obrabi in koroziji ter zmanjšuje probleme pri čiščenju in ločevanju ulitkov. 2.2 Oksidacija Oksidacija je proces, pri katerem se ustvari oksidno plast, ki preprečuje sprijemanje in adhezijsko obrabo pri visokotlačnem litju. Priporoča se, da se oksidacija izvrši pred prvim preizkusom orodja, saj imajo orodja zaradi kompliciranih oblik na nekaterih območjih velik koeficient trenja ter nezadovoljivo odvajanje toplote. Glavna prednost oksidacije je preprečevanje interakcij taline in površine orodja na delih, kjer so slabe mazalne lastnosti.(1) Slika 1: Shematični prikaz vrste poškodb na orodjih za tlačno litje 2.3 PVD-prevleke Funkcija prevleke je, da zmanjša erozijo, sprijemanje in korozijo. Prevleke morajo biti trde, kemijsko inertne in temperaturno obstojne. Z uporabo trde PVD-prevleke se zmanjša čiščenje površine orodja, zmanjšajo se poškodbe orodij med izbijanjem, kar posledično pomeni zmanjšanje količine maziv. Za zaščito orodij za tlačno litje se predvsem uporabljajo prevleke: CrN, CrC, (Ti,Al)N. 2.4 Dupleksni postopki Kombinacije prej opisanih postopkov dajejo najboljše rezultate. Z nitriranjem izboljšamo mehansko nosilnost jekla, medtem ko s trdno prevleko izboljšamo obrabno obstojnost proti eroziji, koroziji in sprijemanju litine na gravuro (2). Prvi pogoj za uspešno kombinacijo nitrirane plasti in trde prevleke je kompatibilnost strukture in lastnosti posameznih plasti. Tako je oprijemljivost trde prevleke odvisna od osnovnega materiala in strukture nitridne plasti (sestava in debelina bele plasti). Zelo pomembno je, da izberemo ustrezno prevleko, saj lahko le tako zagotovimo dobre adhezivne lastnosti prevleke in minimalne razlike pri modulih elastičnosti in termičnih razteznostnih koeficientih. Vpliv PVD-prevlek na odpornost proti termičnemu utrujanju še ni popolnoma pojasnjen. Razloge za zapoznelo nastajanje in širjenje termičnih razpok lahko najdemo v tlačnih napetostih v prevlekah in visoki trdoti pri povišanih temperaturah. Vsekakor pa so razlike v termičnih razteznostnih koeficientih med prevlekami in osnovo glavni razlogi za odstopanje prevleke (3). nous wave) delajo pri nekaj sto vatih, pri višjih močeh pa pulzno. YAG-laser je štirinivojski sistem, kar se izraža v nizkem energijskem pragu za vzpostavitev inverzne populacije. Poleg tega ima YAG relativno veliko toplotno prevodnost, zato ga je mogoče intenzivno hladiti. Kontinuirni YAG-laserji so uravnavani s "Q-switchem" (akusto-optičnim modulatorjem), kar omogoča generacijo več tisoč pulzov na sekundo. Za še krajši čas pulzov pa se za pulziranje uporablja t. i. "mode-locking sistem", s katerim dobimo pulze dolžine razreda pikosekunde. YAG-laserji se uporabljajo za pulzno varjenje prekrivnih spojev, točkovno varjenje, prebadanje (npr. dragih kamnov), reparaturno varjenje, označevanje in rezanje. 3.2 Opis laserskega varilnega sistema Lasersko navarjanje smo izvajali na Nd:YAG-laserju švicarskega proizvajalca LASAG. Laser proizvaja svetlobo valovne dolžine A = 1064 nm, ki je po optičnih vlaknih prenesena do optike, s katero fokusiramo žarek. Na napravi lahko nastavljamo trajanje laserskih pulzov od 0,1 ms do 10 ms. Laser 3 Nd:YAG-LASER 3.1 Zna~ilnosti laserja Pri Nd-YAG-laserju je kot laserska snov uporabljen trikrat ionizirani neodim, ujet v YAG-ov kristal, ki deluje kot gostitelj. YAG je kompleksen oksid s kemično zgradbo Y3Al5O12. Količina kovinskih ionov itrija, nadomeščenih z Nd3+, je od 1 % do 2 %. Emitirana valovna dolžina je 1,064 ^m. Nd:YAG-laserji so sposobni emitirati svetlobni tok povprečne izhodne moči do nekaj 1000 W. V načinu CW (conti- Slika 3: Shema eliptične laserske glave za trdninski laser (4) 1-5 5-25 1OÜ-80O Debelina sloja pm Slika 2: Mikrostruktura dupleksno površinsko obdelanega jekla Slika 4: Laserski izvir Easy welder SLS CL 60 (levo) in strežni sistem CNC (desno) Slika 5: Shematski prikaz taljenja tanke žice pod laserskim žarkom (5) omogoča frekvence pulzov od 0,1 Hz do 500 Hz. Maksimalna energija pulza je 70 J. 3.3 Ročno lasersko varjenje Varilec med laserskim varjenjem vodi žarek z ročno pozicionirno napravo in popolnoma ročno dovaja varilno žico na mesto varjenja. Pred varjenjem mora varilni operater na laserskem izviru določiti parametre žarka. Hitrost varjenja, ki jo uravnava z mehansko napravo in lego, ter hitrost dovajanja žice na mesto pretaljevanja pa mora varilec na podlagi izkušenj določiti med varjenjem. Varilni operater mora ves čas skozi optično napravo opazovati mesto varjenja in pozicionirati varilno žico v sredino laserskega žarka. Premer žarka v gorišču mora biti vsaj 40 % večji od premera žice, da se tako izognemo varilnim napakam (nepreva-ritvam, zlepom). 4 LASERSKO REPARATURNO NAVARJANJE DUPLEKSNO ZAŠČITENIH ORODNIH JEKEL Varjenje nitriranih površin povzroča sproščanje dušika, kar posledično pomeni veliko število por v zvarnem spoju. Poroznost se navadno formira na robovih zvarnega spoja. Pri varjenju oz. taljenju površine nitrirane plasti se tvorijo plini, ki se dvigajo z dna varilne kopeli. Zaradi narave laserskega varjenja nastaja hipno strjevanje taline, tako da ostanejo plini ujeti na robovih zvarne kopeli. Pri varjenju nitriranih površin se pojavljajo tudi majhne vroče razpoke. Menimo, da se razlogi za nastanek teh razpok ravno pore. Razpoke se začnejo širiti iz por proti temenu zvara. Največkrat ga ne dosežejo. Ta vrsta napak se pokaže šele pri kasnejših obdelavah površine in je varilec med varjenjem ne more zaznati. Razlog za nastanek te vrste napake je izključno izbira neustreznih varilnih parametrov za dupleksno toplotno obdelano površino (prevelik vnos toplote ali prenizka hitrost varjenja). Slika 7: Metalografska slika prečnega laserskega navara nitri-rane površine Slika 6: Metalografski prikaz taljenja tanke žice pod laserskim žarkom Slika 8: Teme navara na nitrirani osnovi Slika 9: Metalografska slika širjenja razpoke iz pore Slika 10: Razpoke ob zvarnem robu Slika 11: Pojav razpok kot posledica neustreznega laserskega varjenja Slika 12: Ostanki prevleke TiN v zvarnem spoju Ob zvarnem spoju se pogosto pojavljajo tudi obrobne zajede, ki segajo do globine nitriranega sloja. Zajede so relativno široke in so zaobljenih oblik. Njihov nastanek je povezan z zmanjševanjem volumna taline pri ohlajanju zvarnega spoja. Pri laserskem varjenju dupleksno toplotno obdelanih površin se pogosto pojavljajo vzdolžne in prečne razpoke. Nastajajo zaradi prevelikih nateznih in tlačnih napetosti med različnimi strukturami, ki imajo različne module elastičnosti in termične koeficiente. Če je teh razpok veliko, obstaja verjetnost, da se po zelo kratkem času začnejo združevati. Pojavi se nevarnost hitrega luščenja površine, kar posledično pripelje do nesprejemljivih napak pri končnih izdelkih. Taka orodja je treba izločiti iz proizvodnje in ponovno popraviti. Vključki PVD-prevleke v zvarnem spoju se pojavljajo na orodjih, zaščitenih s TiN. Sami vključki ne delajo težav, zaradi oblikovnih zahtev pa je treba njihovo prisotnost zmanjšati, saj povečujejo obrabo obdelovalnega orodja. 5 ANALIZA VPLIVNIH PARAMETROV NA KVALITETO LASERSKEGA NAVARA Preučili smo različne parametre (trajanje pulza, moč pulza, frekvenca pulzov, premer žarka, hitrost varjenja, način varjenja, vrste dodajnega materiala), ki odločilno vplivajo na kvaliteto navarjenega sloja. Na podlagi serije eksperimentov smo prišli do naslednjih dognanj. 5.1 Oblika laserskega pulza Opazili smo, da se povečanje poroznosti navarov pojavi pri navarjanju z večjimi močmi. Navari s padajočo obliko pulza imajo manjšo stopnjo poroznosti kot klasični pulzi pravokotnih oblik. Pulz s padajočo karakteristiko preprečuje hiter kolaps Slika 13: Padajoča oblika laserskega pulza ključavnične luknje, saj s svojo obliko vpliva na počasno ohlajanje taline ter s tem daje raztopljenemu dušiku več časa, da zapusti talino. Tako smo ugotovili, da postopno zmanjševanje moči pulza, kot je shematsko prikazano na sliki 13, znižuje stopnjo poroznosti v navarjenem sloju. Na povečanje vsebnosti plinskih vključkov v navarjenem sloju pa odločilno vpliva tudi previsoka energija laserskega pulza (slika 14). 5.2 Hitrost varjenja Hitrost varjenja močno vpliva na vnos toplote in posledično na višino deformacij okolice navara. Pri premajhnih hitrostih varjenja se v navaru pojavljajo razpoke, ki so posledica strjevanja taline. Prav tako smo opazili povečano stopnjo razpok na dupleksno obdelanih površinah tik ob zvarnem robu. Hitrost ročnega laserskega varjenja je odvisna od izkušenosti operaterja, saj mora ta določiti ustrezna razmerja med zmožnostjo dovajanja žice, frekvenco in ustrezno stopnjo prekrivanja pulzov. 5.3 Lasersko pretaljevanje površine S predhodnim pretaljevanjem površine mesta varjenja se zmanjša poroznost v navarjenem sloju. Samo zmanjšanje poroznosti pri zahtevnejših orodjih ne zagotavlja ustrezne kvalitete površine. Na sliki 15 je prikazano predhodno pretaljevanje površine nitriranega sloja. Opazimo lahko, da s pretaljevanjem popolnoma odstranimo nitrirano plast. Nekaj poroznosti, ki nastaja kot posledica raztapljanja nitrirane plasti, se pojavi le na začetku in na koncu pretaljene cone. Pričakovali smo, da bo navarjeni sloj na tako pripravljeni površini brez večjih napak. Izkazalo se je, da to ni tako. Razloge za takšno stanje lahko iščemo v močnem brizganju taline pri dupleksno obdelanih površinah. Ob taljenju nitrirane plasti se začne raztopljeni dušik sproščati v obliki plina, kar povzroča brizganje taline iz cone taljenja. Material obrizgov vsebuje visoko stopnjo nitridov in ostankov raztopljene prevleke. Če kasneje varimo tako površino, se ti nitridi ponovno raztapljajo in povzročijo napake v navaru. Tako lahko z načinom varjenja B pričakujemo ustrezno kvaliteto navara šele v drugem sloju. Zato smo razvili inovativen sistem navarjanja dupleksno obdelanih površin. Z novim postopkom Slika 15: Predhodno pretaljevanje nitrirane površine Slika 16: Dvoslojni navar na predhodno pretaljeni nitrirani površini Slika 14: Grafični prikaz poroznosti v odvisnosti od oblike pulza(6) VAKUUMIST 27/4 (2007) Slika 17: Brizganje taline pri varjenju orodja z visoko vsebnostjo nitridov Slika 20: Prikaz laserskega varjenja s povratnim pretaljevanjem Slika 18: Optimiziran postopek varjenja površinsko dupleksno obdelanih jekel smo poroznost popolnoma odpravili. Zmanjšali smo čase varjenja in odpravili napake v laserskem navaru (zlepe, vključke). Z novim načinom laserskega varjenja tako ohranjamo ozek pas površine navarjanja ves čas čist (brez obrizgov). S sprotnim pretaljevanjem tako dosežemo stabilnejši prehod dodajnega materiala v navar. Z izboljšano obliko zvarnega žleba smo omogočili tudi izhod nečistoč z mesta varjenja. Predvsem pa smo zmanjšali turbulentnost dotoka zaščitnega plina na mesto Slika 19: Prikaz direktnega varjenja brez pretaljevanja Slika 21: Metalografska slika kakovostnega laserskega navara na nitrirani površini varjenja, kar posledično pomeni zmanjšano nevarnost onesnaženja navara zaradi atmosferskih vplivov. 6 MEHANSKA IN TERMIČNA OBDELAVA VARJENIH MEST ORODJA Po uspešnem laserskem reparaturnem navarjanju sledi mehanska obdelava saniranega mesta orodja. Ta vključuje rezkanje, potopno erozijo ter končno poliranje. Želja orodjarjev je, da se orodju predvidena trajnostna doba po tako opravljeni reparaturi poveča vsaj za polovico. To lahko dosežemo z lokalnim nitririranjem (uporaba inhibitorja) oz. z nanosom prevlek na mesta, ki so bila sanirana. Pri ponovnem nitriranju pa se izkaže za zelo pomembno ustrezna izbira dodajnega materiala v obliki laserske žice, saj sestava dodajnega materiala vpliva na proces tvorbe nitridnih plasti. Odločilno je to, da lahko izvajalec laserskega varjenja ob kroničnem pomanjkanju laserskega dodajnega materiala na svetovnem trgu samostojno izdela istoimenski Slika 22: Metalografski prikaz lokalnega plazemskega nitriranja navarjene površine orodja dodajni material in s tem posledično izdela homogeno strukturo orodja. 7 SKLEP S podaljševanjem predvidene trajnostne dobe orodij za tlačno litje se zmanjšujejo proizvodni stroški podjetja. Ob uporabi dupleksnih postopkov površinske zaščite se lahko zagotovljena trajnostna doba poveča tudi za 200-300 % (7). Čeprav dodatne površinske zaščite orodij povzročijo zmanjšano varivost, lahko z obvladovanjem tehnologije laserskega reparaturnega varjenja uspešno saniramo poškodovane površine še dolgo po izteku predvidene dobe. Prepričani smo, da se bo povpraševanje po tovrstnih storitvah v prihodnosti povečalo, saj na trg prodira vse več tako toplotno obdelanih površin orodij. LITERATURA 1http://www.tamcelik.com/eng/Tamcelik-isil-islem-oksidasyon-islemi. asp 2Panjan P., Čekada M.: Zaščita orodij s trdimi PVD-prevlekami, Institut "Jožef Stefan", Ljubljana, 2005 3Pellizzari M., Molinari A., Straffelini G., Surface & Coatings Technology 142-144 (2001), 1109-1115 4Svelto O.: Principles of lasers; Plenum Press, NY, 1982 5Tušek J., Pompe K., IRT 3000, 1 (4) (2006) 6H. B. Kim, C. H. Lee, Science and Technology of Welding and Joining 4 (1999), 51-57 7Navinšek B., Panjan P., Urankar I., Cvahte P., Gorenjak F., Surface & Coatings Technology 142-144 (2001), 1148-1154 SANACIJA TERMORAZPOK NA ORODJIH ZA TLAČNO LITJE Z LASERSKO TEHNOLOGIJO Matej Pleterski1, Janez Tušek1, Tadej Muhic2, Klemen Pompe2 1Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana 2TKC, d. o. o., Trnovska 8, 1000 Ljubljana POVZETEK Varjenje in nekatere sorodne tehnike so zdaj edine poznane tehnologije, s katerimi lahko poškodovana orodja popravimo in ponovno usposobimo za delo. Med poznanimi varilnimi postopki lahko v praksi uporabimo nekaj obločnih postopkov, lasersko varjenje, pa tudi varjenje z elektronskim curkom. Od poznanih postopkov v največji meri uporabljamo varjenje TIG in v novejšem času lasersko reparaturno varjenje. Repair of thermal cracks on tools for die casting using laser technology ABSTRACT Welding and some other similar techniques have so far been the only technologies suitable for repairing of damaged tools and for their consequental implementation for work. Among the well-known welding techniques, some of the arc techniques can be applied in production, as well as laser welding and electron beam welding. The most widely applied procedure is the TIG welding, and in the last years also laser repair welding. 1 UVOD 2 OPIS PROBLEMA Orodja za tlačno litje barvnih kovin so med uporabo močno obremenjena z mehansko silo in s toplotno energijo. Zaradi teh obremenitev se orodja obrabljajo in razpokajo. Razpoke, ki jih imenujemo termomehanske, nastanejo na površini in se s časom širijo in poglabljajo v material orodja. Ko se razpoka poveča do te mere, da na ulitem izdelku vidimo napako oz. ta ogrozi njegovo funkcionalnost, moramo orodje sanirati. Toplotne razpoke nastanejo zaradi temperaturnih šokov in velikih pritiskov taline na orodje. Med tlačnim litjem se dogodi, da je temperatura na površini kratek čas pod srednjo temperaturo orodja, tako da nastanejo natezne napetosti, ki privedejo do toplotnega utrujanja in do nastanka posameznih ali mrežasto razporejenih toplotnih razpok. Na sliki 1a je prikazan del površine orodja, na katerem se je pojavila razpoka. Zaradi razpoke na orodju dobimo na površini ulitega izdelka hrapavo in ne popolnoma gladko površino, kar je razvidno s slike 1b. Termične poškodbe so najbolj pogoste in najbolj delikatne poškodbe na orodju ter so v veliki večini vzrok drugih poškodb na vseh delih orodja. Pri procesu tlačnega Svetovna oziroma globalna konkurenca v industriji končnih izdelkov zahteva, da proizvajalci znižujejo stroške na vseh ravneh, povečujejo kakovost in dvigujejo produktivnost. Sanacija poškodovanih in izrabljenih orodij je ukrep, s katerim lahko v veliki meri znižamo stroške v proizvodnji, povišamo produktivnost ter povečamo dobiček. Zato se v zadnjem času vedno bolj uporablja laserska tehnologija, ki daje prednost predvsem ozkemu lokalnemu delovanju toplotne energije, majhni toplotno vplivani coni okoli vara in zanemarljivim obrobnim zajedam. Za lasersko varjenje lahko zapišemo, da je sploh ena izmed prvih industrijskih aplikacij laserja. Ta alternativna tehnologija daje nove možnosti obdelave, dodelave in sanacije, kjer je varjenje z drugimi varilskimi metodami oteženo ali celo onemogočeno. Orodja za tlačno litje so izdelana iz kakovostnih jekel ter nato še toplotno obdelana. Ena izmed najpomembnejših karakteristik orodja je trdota. Pri orodjih za tlačno litje barvnih kovin mora biti HRc okoli 45. Za povečanje trajnostne dobe jih lahko cementiramo ali nitriramo in jim s tem povečamo površinsko odpornost proti obrabi. Ne glede na vrsto materiala, toplotno obdelavo in vrsto oplemenitenja površine orodja se ta med uporabo obrabljajo, poškodujejo in na njihovi površini nastanejo razpoke, ki segajo v globino. Z nadaljnjo uporabo se te razpoke večajo in na ulitkih puščajo sledi, ki pa za mnoge uporabnike niso sprejemljive (slika 1). Slika 1: Prikaz toplotne razpoke na površini orodja (a) in njihov vpliv na površino ulitega izdelka (b) litja se pojavijo velika termična nihanja, t. i. termični šoki. Sprva priteče talina v ulivno votlino orodja s temperaturo od 650 °C do 720 °C, kar je za orodje prvi temperaturni šok. Po strjevanju se orodje odpre in temperatura začne padati; orodje doživi drugi temperaturni šok. Po odstranitvi odlitka se orodje ohladi na približno 350 °C, nato pa ga namažemo in ohladimo z mazalno emulzijo zaradi izmetavanja ulitka, pri čemer orodje doživi ponoven temperaturni šok; temperatura pade na približno (200 ±30) °C. Nato se cikel ponovi, orodje se zapre ter napolni s talino. Material orodja je tako izpostavljen velikim termičnim raztezanjem, ki so bolj izrazita, čim bolj je nehomogena struktura materiala in čim bolj je orodje razgibano. Pogosto se dogodi, da se v razpokah na orodjih nahaja kovina, ki jo lijemo (aluminij ali magnezij), kar sanacijo orodja še otežuje. Z laserskim žarkom pa lahko razpoko izžlebimo in s tem iz razpoke odstranimo nečistoče in kovino, ki jo lijemo. Z žlebljenjem do neke mere odpravimo tudi napetostno stanje okoli razpoke in orodje pripravimo za lasersko varjenje z dodajnim materialom. 3 EKSPRIMENTALNI DEL Rabljeno in razpokano orodje smo razrezali in iz nekaterih razpokanih delov izdelali makroobruse, da smo merili njihovo trdoto. Zanimalo nas je, kaj se dogodi z materialom orodja, ko je razpokano. Eno izmed pomembnih meril za oceno kakovosti materiala orodja je tudi trdota. Večina livarjev in orodjarjev, ki izdelujejo orodja za tlačno litje, se skoraj izključno pogovarjajo o trdoti, ki jo mora imeti orodje. Z meritvami trdote smo ugotovili, da se le-ta okoli razpoke poveča. To je v splošnem poznano in teoretično tudi pojasnjeno. Večin raziskovalcev si povečanje trdote okoli razpoke razlaga z nakopičenjem dislokacij in s koncentracijo napetosti, ki nastanejo med uporabo orodja. Tretja razlaga za povišanje trdote pa temelji na difuziji legirnih elementov med ogrevanjem in ohlajanjem orodja. Predvsem krom, ki ima velik vpliv na trdoto, se s časom po orodju porazdeli neenakomerno in posledično je tudi trdota Cas -> Slika 2: Potek temperature na površini orodja in tik pod njo Ma .-----— —....... --- ..... ----I ------„—. -s * o i г ÜJ.U'^iin+l mliradiie м/рпкг [пг-j goinn 0,6 rrni -*- pot-rvi 1).1<пл Slika 3: Makroobrus razpoke na rabljenem orodju in označena mesta preko razpoke, kjer je bila merjena trdota neenakomerno porazdeljena. Pri tem se moramo zavedati, da se s povišanjem trdote zniža žilavost. Kot je razvidno z diagrama na sliki 3, dosegajo trdote HV ob razpoki tudi do 780 (HRc = 62). Področje, ki že vsebuje razpoko, je s tako visoko trdoto in posledično tudi povečano krhkostjo še bolj občutljivo za toplotne šoke. Pri nadaljnjem obratovanju takega orodja se razpoka še hitreje širi, postaja vedno globlja in širša. Poleg tega vanjo čedalje bolj vdira liti material, prihaja do abrazije in adhezije. Tedaj v razpoki pogosto ostajajo odtrgani koščki odlitkov, tudi po izmetu iz orodja. Vse skupaj vodi do nesprejemljivih odlitkov, orodje pa pri nadaljnjem obratovanju v takem stanju poči po celotni globini. Tako poškodovana orodja se navadno sanirajo (če je sanacija sploh še stroškovno upravičena) po postopku TIG s predgrevanjem, zajede pa se nato popravijo z laserjem. Pri takšni sanaciji je potrebno veliko mehanske in toplotne obdelave. Pri pripravi orodja za varjenje moramo razpoko izžlebiti. Najkvalitetnejše bi vsekakor bilo rezkanje utrjenega območja ob razpoki. Tako pripravljen žleb bi nato samo pretalili pri navadnih varilnih parametrih in ga pri teh parametrih tudi zavarili. Material se pri tem ne bi utrdil in trdota zvara bi bila enaka trdoti osnovnega materiala. V praksi se razpoke rezka zelo redko, še to navadno le predele razpok, kjer je odneseno veliko materiala in v notranjosti ostajajo kosi litine. Ročno rezkanje pa je prezahtevno (nevarnost poškodbe gravure), časovno potratno in pušča relativno velik žleb, ki pa ga je nato treba zapolniti. Pri sanaciji bi poleg rezkanja omenili še varjenje razpok z različnimi materiali. Z dodajanjem mehkega materiala v koren zvara (notranjost žleba) bi ugodno vplivali na trdoto, saj kljub utrjevanju oz. zakalitvi zvar ne bi dosegel previsoke trdote. Poleg tega bi po dodajanju močno znižali visoko trdoto ob zvarnem žlebu, zvar pa bi pridobil tudi na žilavosti, kar bi zaviralo širjenje razpoke. Temenski zvar bi opravili z materialom, primernim osnovnemu, kar bi verjetno ob~utno izbolj{alo u~inkovitost sanacije ter s tem pove~alo cikle med reparaturami. 4 ŽLEBLJENJE IN VARJENJE RAZPOK 4.1 Žlebljenje razpok Če želimo razpoko izžlebiti z laserskim žarkom, moramo izbrati parametre z visoko gostoto energije v fokusu laserskega žarka. Material, tj. jeklo, je treba upariti in ga odstraniti iz razpoke. Na sliki 4 je shematsko prikazana laserska naprava, ki se zdaj najve~ uporablja za sanacijo razpok na orodjih za tla~no litje barvnih kovin. To je pulzni Nd-YAG laser, ki omogo~a varjenje in žlebljenje razpok v razli~nih legah in na zapletenih povr{inah orodja, ker laserski žarek lahko vodimo po opti~nem vlaknu, kar pomeni poljubno po prostoru. Za žlebljenje je potrebna gostota energije nad 1010 W/m2. To dosežemo z nastavitvijo visoke mo~i na laserskem izviru in izbiro le~e s kratko gori{~no razdaljo (posledi~no je manj{i premer fokusirane to~ke na obdelovancu). Na za~etku se nastavi fokus žarka na povr{ino, lahko pa tudi malo pod njo (0,5 mm) in se ga med žlebljenjem {e spu{~a. Ugodno je, da je porazdelitev energije v žarku Gaussova s ~im manj{im raztrosom okoli sredine žarka. Za žlebljenje je tak{na porazdelitev energije prednost, za varjenje z dodajno okroglo žico pa ni najprimernej{a. Na sliki 5 sta prikazana dva makroobrusa z izžleblje-nima razpokama, ki sta nastali na njegovi povr{ini med uporabo orodja za tla~no litje barvnih kovin. Z laserskim žarkom smo uparili del osnovnega materiala okoli razpoke, vse ne~isto~e in material, ki se je nahajal v razpokah. Tako izdelamo zvarni žleb za varjenje. Poleg tega se s toplotno lasersko energijo, ki u~inkuje na material okoli razpoke, nekoliko odpravi zaostale napetosti, kar ugodno vpliva na napetostno stanje v orodju. Slabost pa je v tem, da se področje okoli izžlebljene razpoke, kar je razvidno s slike 5, med žlebljenjem raztali in nato zelo hitro ohladi ter strdi, kar močno poveča trdoto. To področje se med varjenjem ponovni raztali in delno razme{a z dodajnim materialom. Po varjenju se "relativno" počasi ohlaja, kar pomeni, da ne dobimo martenzitne strukture. \\- 2 3 1 4 Slika 4: Shematski prikaz naprave za lasersko varjenje: 1 -aktivni medij (Nd:YAG-kristal) za ustvarjanje laserskega žarka, 2 - bliskovna luč, 3 - neprepustno zrcalo, 4 - polprepustno zrcalo, 5 - optični kabel, 6 -fokusirni optični sistem, 7 - varje-nec, 8 - fokus laserskega žarka, 9 - sistem za časovno delitev žarka, 10 - sistem za energijsko delitev žarka Slika 5: Prikaz dveh makroobrusov izžlebljenih razpok na površini rabljenega orodja, na katerih je tudi vidno toplotno vplivano področje (TVP) 4.2 Izbira dodajnega materiala Kemična sestava zvara je odločilnega pomena za njegove mehanske lastnosti in s tem tudi vpliva na trajnostno dobo reparaturno varjenega orodja. Na kemično sestavo vara pa vpliva sestava dodajnega materiala, sestava osnovnega materiala in temperatura segretja osnovnega in dodajnega materiala med varjenjem oziroma varilni parametri. Dodajni material se mora optimalno mešati z raztaljenim osnovnim materialom. O optimalnem razme-šanju govorimo, kadar je to minimalno in zadosti visoko, da ne nastane luščenje vara iz osnovnega materiala. Poleg mehanskih lastnosti mora dodajni material zagotoviti visoko čistočo vara in ne sme povzročati poroznosti in lunkerjev ali drugih napak v varu. Orodna jekla so s svojo visoko trdoto še posebno občutljiva za lome v bližini nečistoč in por. Var mora imeti tudi primerne lastnosti za nadaljnjo mehansko obdelavo. Tu moramo dodati še to, da je obdelava laserskih varov na orodjih mnogo bolj preprosta kot obdelava varov, izdelanih s postopkom TIG. Pri varjenju TIG v splošnem velja, da naj bi bila kemična sestava dodajnega materiala podobna osnovnemu. Pri laserskem reparaturnem varjenju pa ni tako. V primeru dodajanja materiala, enakega osnovnemu, dosežemo občutno višjo trdoto vara, kot jo ima osnovni material (pribl. HV 50-100). To je posledica zapletenih metalurških procesov, ki se odvijajo v majhnem volumnu taline in izredno kratkem času (pribl. 6 ms) segrevanja in pri hitrem ohlajanju. Zaradi majhne količine taline in velikega Slika 6: Shematični prikaz laserskega reparaturnega varjenja in žlebljenja gradienta temperature pride tako do prekomerne zakalitve raztaljenega materiala. Da bi se temu problemu izognili, uporabljamo pri laserskem reparaturnem varjenju dodajne materiale, ki imajo znižano vrednost ogljika in zvišano vrednost kroma ter molibdena glede na osnovni material. 4.3 Varjenje izžlebljenih razpok Izžlebljene razpoke nato zavarimo. Parametre laserskega žarka določimo na laserski napravi. Prilagojeni morajo biti velikosti izžlebljenega utora in premeru žice, ki jo uporabimo. Najpomembnejša parametra sta moč in čas trajanja laserskega bliska. Premer žarka v žarišču pa določimo na laserskem optičnem sistemu (slika 4). V splošnem razpoke varimo z dodajnim materialom ene kemične sestave, včasih pa za varjenje razpok uporabimo dva različna materiala (slika 7). Za koren vara (tj. za varke v spodnjem delu izžlebljene razpoke) uporabimo mehak in žilav material, da preprečimo nastajanje novih razpok in širjenje starih, ki so morda še ostale v notranjosti orodja. Vrhnje (temenske) varke pa varimo s tršim materialom, da po varjenju dobimo na površini saniranega orodja ustrezno trdoto. 5 SKLEPI Sklepamo lahko, da je laserski žarek zelo primerno sredstvo za sanacijo razpokanih orodij in da z njim lahko izvajamo zelo ustrezno tehnologijo. Z ustreznimi parametri laserskega žarka je mogoče razpoko izžlebiti ter tako Slika 7: Makroobrus zavarjene razpoke z različnima dodajnima materialoma (a) in razpoke, zavarjene z enim dodajnim materialom (b) odstraniti utrujeno območje materiala. Tak žleb se nato zavari, kvaliteta zvara pa je v veliki meri odvisna tudi od izbire dodajnega materiala. Razvoj reparaturnega laserskega varjenja je bistveno pripomogel k zmanjšanju stroškov vzdrževanja orodij in podaljševanju njihove trajnostne dobe, prav tako pa se je zmanjšal tudi izpad proizvodnje zaradi poškodovanih orodij v livarnah, pri preoblikovanju materialov in v industriji umetnih snovi. 6 LITERATURA 1 Dawes C.: Laser welding; Abington Publishing, Abington, 1992 2Vollrath K., Der Praktiker 55(9) (2003), 276-281 3Matsunawa A., El-Batahgy A., Zaghloul B.: Laser beam welding of lap joints of dissimilar materials; Transactions of J W R I, 27, (1998) 2, str. 13-19 4Brockmann R. Honekamp M., Dickmann K., Meier S., Letsch H., Matthes K.-J., Schweißen & Schneiden, 53(9) (2001), 596-603 5Duley W. W.: Laser welding; John Wiley & Sons, Inc., NY, 1999 6Thompson S.: Handbook of mould, tool and die repair welding; Abington Publishing, Cambridge, 1999 ANODNI IONSKI IZVIR Miha Čekada1,2, Markus Kahn2, Wolfgang Waldhauser2 1Institut "Jožef Stefan", Jamova 39, 1000 Ljubljana 2Joanneum Research, Laser Center Leoben, Leobner Str. 94, 8712 Niklasdorf, Avstrija POVZETEK Anodni ionski izvir je konstrukcijsko preprosta naprava z dvema katodama in eno anodo, ki omogo~a oblikovanje ionskega curka. Ce za delovni plin uporabimo argon, je naprava primerna za jedkanje podlag, z uporabo nižjih ogljikovodikov pa lahko nanašamo prevleke diamantu podobnega ogljika (DLC). Anode layer source ABSTRACT The anode layer source is from the construction point of view a simple device with two cathodes and one anode. It enables the formation of an ion beam. If argon is used as working gas, the device is used for ion etching of surfaces. Using low hydrocarbons, diamond-like carbon coatings (DLC) can be deposited. 1 UVOD Ionski izviri so vakuumski tehniki zelo razširjeni. Uporabljamo jih za različne aplikacije: čiščenje površin, postopno odstranjevanje plasti (globinska profilna analiza), ionska spektroskopija (SIMS, ERDA), litografija, ionska implantacija. Osnovni princip je v tem, da dovajamo izbrani plin, ki ga v izviru ioniziramo, izhajajoči ionski curek pa ima želeno energijo oz. energijsko porazdelitev. Ena aplikacija, na prvi pogled eksotična, pa je pogon vesoljskih plovil. Zanimivo je, da je prav ta aplikacija dala velik zagon razvoju ionskih izvirov v 60-ih letih. Takrat so potrebovali sistem za majhne korekcije orbit satelitov, ki bi imel dovolj majhno porabo goriva, da bi lahko deloval več let. Ker je bil takrat vrhunec hladne vojne, je razvoj potekal vzporedno v ZDA in v tedanji Sovjetski zvezi(1). V ZDA so razvili t. i. Kaufmannov ionski izvir, ki je danes dobro poznan tudi v vakuumski tehniki. Ruski izdelek, danes ga poznamo pod imenom anodni ionski izvir (anode layer source, ALS), pa je ostal precej neopazen in se je v vakuumski tehniki pojavil šele nedavno. 2 OPIS NAPRAVE Anodni ionski izvir je v osnovi zelo enostavna naprava in v grobem spominja na magnetron (slika 1). Lice naprave sestavljata dve plošči, ki ju ločuje nekaj milimetrov široka reža, imenovana katodna reža. Obe plošči sta na negativnem potencialu, ploščo znotraj reže imenujemo notranja katoda, ploščo zunaj reže pa zunanja katoda. Namesto podolgovate geometrije je lahko reža tudi krožne oblike, ionski izvir pa s tem krožno simetričen. V vsakem primeru reža tvori zaključeno zanko. Prečni prerez naprave prikazuje slika 2. Zgoraj sta obe katodi: notranja v sredini slike in zunanja na obeh robovih. Pod režo leži anoda, ki tako kot katodna reža oblikuje zaključeno zanko (nekakšen razpotegnjen prstan). Spodnji ploskvi obeh katod in zgornja ploskev anode so vzporedne. V vzdolžni osi naprave, med notranjo in zunanjo katodo, so močni magneti (bodisi permanentni ali navitje), ki ustvarjajo magnetno polje. Silnice potekajo od magneta preko zunanje katode, katodne reže in notranje katode nazaj do magneta. Konfiguracija magnetnega polja je tako zelo podobna Slika 1: Fotografija anodnega ionskega izvira (2) Slika 2: Prečni prerez anodnega ionskega izvira kot v magnetronu. Delovni plin dovajamo v prostor za anodo, kjer ga s primernimi razvodi usmerimo v prostor med anodo in katodo, tako da je pretok plina čim bolj enakomerno razporejen vzdolž reže. Poglejmo si področje med katodo in anodo nekoliko podrobneje (slika 3). Katoda, narejena je iz magnetnega železa, je ob katodni mreži oblikovana konično, tako da je magnetna poljska gostota v reži čim večja. V anodni reži, tj. nekaj milimetrov debelo področje med katodo in anodo, pa je močno električno polje, ki ga napajamo z enosmerno napetostjo. V prehodu iz katodne v anodno režo sta vektorja magnetne poljske gostote in električne poljske jakosti pravokotna. Elektron, ki zapusti katodo, se pospeši proti anodi, magnetno polje pa obrne njegovo smer gibanja v smeri katodne reže. Podobno kot pri magnetronu torej dobimo močan tok elektronov v zaključeni zanki. Pri ustreznem električnem potencialu (spodnja meja okoli 1000 V) in ustreznem pretoku delovnega plina (velikostnega reda 10 sccm) se prižge plazma. Prej omenjena zaključena zanka toka elektronov omogoča visoko stopnjo ionizacije. Značilna pot atoma (molekule) delovnega plina je torej naslednja. Atom pride v sistem skozi anodno režo. Ko vstopi v področje plazme, se ionizira in se začne pospeševati proti katodi. Del ionov trči v katodo, del pa zapusti sistem skozi katodno režo. Ionski curek ima obliko katodne reže, torej zaključene zanke, in ima zato v prerezu dva maksimuma (3). Curek se divergentno širi v prostor, lateralno razširjanje pa lahko omejimo z vbrizgavanjem elektronov v curek, s čimer ga nevtraliziramo. To naredimo z elektronskim topom, ki ga vgradimo poleg anodnega ionskega izvira. Če so tarče prevodne in divergenca curka ni pomembna, elektronskega topa ne potrebujemo. Uveljavljeno poimenovanje je kolimirani način (z uporabo elektronskega topa) in difuzni način. - D J» -KM «m J«KI i um 13» NUJ energija ionov [cVj Slika 4: Značilna energijska porazdelitev izstopajočih ionov. Pospeševalna napetost je bila 1500 V (3) Stopnja ionizacije ni homogena, temveč je največja v tankem področju tik ob anodi, ki ga imenujemo anodna plast. Od tod tudi ime naprave anode layer source, dobesedno izvir z anodno plastjo. Pomembna posledica nehomogenosti stopnje ionizacije je v tem, da je hitrostna porazdelitev izstopajočih ionov zelo široka, tako rekoč od nič do energije, ki ustreza pospeševalni napetosti (slika 4). Atom, ki v sistem prispe blizu anode, se bolj pospeši od atoma v bližini katode. Vrh energijske porazdelitve je približno na polovici energije, ki ustreza pospeševalni napetosti. Pomembna prednost naprave je robustna konstrukcija, brez komponent, kjer po navadi pričakujemo težave (gibljivi deli, žarilne nitke, ekstrakcijske mrežice itd.). Naprava omogoča tudi dolgotrajno delovanje v kisikovi atmosferi. Edini element, ki se po dolgotrajnem delovanju izrabi, je katoda, menjava pa je enostavna. Izraba je posledica razprševanja katode, razpršeni kovinski ioni pa lahko kontaminirajo ionski curek. Z ustrezno geometrijo katode lahko ta delež zmanjšamo do te mere, daje kontaminacija zanemarljiva. Pri delu z ogljikovodiki pride do nanašanja ogljikove plasti na katodo, s tem pa se poslabša karakteristika naprave. Rešitev je preprosto vpust inertnega plina v napravo za nekaj minut in ioni inertnega plina odjedkajo naneseno ogljikovo plast, tako da je površina katode spet kovinsko čista. ///////»ШУ//У/У/ Slika 3: Detajl katodne reže 3 UPORABA Karakteristike ionskega curka določamo s pospeševalno napetostjo in pretokom delovnega plina. To je lahko inertni plin (večinoma argon), široka paleta reaktivnih plinov (npr. C2H2, SiH4, tudi O2) ali kombinacija obeh. Tak primer je nanašanje diamantu podobnega ogljika (DLC), dopiranega s silicijem (4). Pline lahko tudi dodatno uvajamo direktno v vakuumsko posodo. Še ena možnost je sočasna uporaba anodnega ionskega izvira in katere od drugih tehnik, npr. magnetronskega naprševanja. Danes se anodni ionski izvir največkrat uporablja za čiščenje podlag. Zaradi visoke energije ionov (značilno okoli kilovolta) je čiščenje zelo intenzivno. Da očistimo podlage za standardni nanos PVD-plasti, je dovolj le nekaj minut ~i{~enja z argonom. Če uporabimo tudi elektronski top, se izognemo težavam z nabijanjem neprevodnih podlag. Velike možnosti pa se odpirajo pri uporabi anodnega ionskega izvira za nanos prevlek. Z uvajanjem ogljikovodikov dobimo curek ogljikovih (in vodikovih) ionov, in z izbiro ustreznih parametrov na podlagah raste plast DLC-prevleke. Hitrost nana{anja je reda velikosti 10 nm/min, kar je primerljivo s PVD-postopki. Visoka energija ionov zagotavlja dobro adhezijo, homogenost vzdolž izvira je dobra, homogenost pre~no na izvir pa zagotovimo z vrtenjem ali oscilacijo vzorca. Posebna prednost je zelo enostavno krmiljenje procesa. Pri PVD-postopkih sta jedkanje in nana{anje lo~ena postopka, pogosto vsak s svojim napajalnikom in izvirom. Preklop med jedkanjem in nana{anjem je sestavljen iz vrste korakov, ki lahko skupaj trajajo ve~ minut (to {e posebej velja za postopen dvig mo~i). Pri anodnem ionskem izviru pa je edina razlika med jedkanjem in nana{anjem v izbiri delovnega plina (5). Preklop iz jedkanja v nana{anje torej pomeni le odprtje ventila za npr. acetilen ob hkratnem zaprtju ventila za argon, kar traja le nekaj sekund. Napajalnik ostane prižgan pri enaki mo~i, razen morebitnih popravkov (npr. iz 2 kV pri jedkanju na 1,5 kV pri nana{anju). Tudi v fazi nana{anja lahko spreminjamo karakteristike: ve~plastno prevleko naredimo s pe-riodi~nim spreminjanjem enega parametra (npr. 1 kV / 2 kV / 1 kV / 2 kV ...). Pri DLC-prevlekah lahko tak{na sprememba pomeni periodi~no spreminjanje deleža vezi sp2:sp3 in s tem periodi~no spreminjanje trdote. Nana{anje DLC-prevlek z anodnim ionskim izvirom se je pred nekaj leti uveljavilo v proizvodnji arhitekturnih stekel (6). Razvili so "in-line" sisteme za nanos trde, a tanke antiabrazijske prevleke, ki {~iti steklo pred mehanskimi po{kodbami. Z drugih podro~ij omenimo možnost nana{anja DLC-prevlek na trde diske (7). 4 SKLEP Anodni ionski izvir bi najlaže uvrstili v skupino postopkov PACVD (plazemsko podprto kemijsko nana{anje iz parne faze), ~eprav je energija ionov bistveno višja kot pri klasi~nih postopkih PACVD. Najbolj pa presene~a razkorak med po eni strani enostavnostjo postopka, enostavni in robustni konstrukciji naprave in po drugi strani skromni razširjenosti tehnike v današnjih vakuumskih tehnologijah. Raziskave v prihodnjih letih utegnejo ta razkorak odpraviti. Anodni ionski izvir je instaliran v Laser Center Leoben, vendar se gaje doslej uporabljalo le za jedkanje podlag. V letošnjem letu pa smo s to napravo naredili prve uspešne poskuse nanašanja prevlek diamantu podobnega ogljika, o ~emer bomo poro~ali v eni od naslednjih številk Vakuumista. 5 LITERATURA 1V. V. Zhurin, H. R. Kaufman, R. S. Robinson, Plasma Sources Sci. Technol. 8 (1999), R1-R20 2http://www.msi-pse.com/Plasma%20Surface%20Engineering/ Spindrift%20Sources.htm 3A. Shabalin, M. Amann, M. Kishinevsky, C. Quinn, N. Capps, 43rd Annual Technical Conference Proceedings, Denver, April 15-20, 2000, Society of Vacuum Coaters, dostopno na strani http://www.advanced-energy.com/en/MAGAZINE_REPRINTS.html 4N. Capps, D. Carter, G. Roche, Ion source applications: Si-doped DLC, prospekt, 1999, dostopno na strani http://www.advanced-energy.com/ en/WHITE_PAPERS.html 5N. Capps, B. Goldsworth, D. Carter, G. Roche, Ion source applications: DLC deposition, prospekt, 1999, dostopno na strani http://www. advanced-energy.com/en/WHITE_PAPERS.html 6V. S. Veerasamy, H. A. Luten, R. H. Petrmichl, S. V. Thomsen, Thin Solid Films 442 (2003), 1-10 7A. Shabalin, M. Amann, M. Kishinevsky, K. Nauman, C. Quinn, E. Anoikin, A. Bourez, Industrial ion sources and their application for DLC coating, prospekt, 2001, dostopno na strani http://www. advanced-energy.com/en/WHITE_PAPERS.html VAKUUM TRUBARJEVIH DNI (ob 500-letnici Trubarjevega rojstva) Stanislav Južnič AMNIM, d. o. o., Gorazdova 3, Ljubljana POVZETEK Trubarjevo leto 2008 bo znova razdelilo slovenski narod na "naše" in sovražnike naših. Ker smo vakuumisti pri tovrstnih zdrahah načeloma nevtralni, si kaže pogledati, kaj so slovenski in pri nas gostujoči razumniki Trubarjevih dni menili o vakuumu, o raziskovanju materialov in o lastnostih površin. Raziskane so razlage vakuuma v knjižnicah na tedanjem Kranjskem in Štajerskem, pa tudi mnenja slovenskih učenjakov, ki so predavali na dunajski, tübingenski ali padovski univerzi. Vacuum in Trubar's time (at 500th anniversary of Trubar's death) ABSTRACT Trubar's year 2008 will divide Slovenians again into "ours", and their enemies. Vacuum researchers are supposedly neutral at such kind of quarrels. It is a good opportunity to examine the opinions about vacuum and material science at Trubar's time. The opinions about vacuum at libraries of Trubar's time Carniola and Styria were researched in light of the scientists' lectures at Viennese, Tübingen, and Padua Universities. 1 UVOD U času Trubarjevega rojstva so najpomembnejši slovenski profesorji humanisti predavali na Dunaju, kjer so zasedali toliko poglavitnih stolic in položajev kot nikoli prej ali pozneje. Primož Trubar se je na dunajsko univerzo vpisal 14. 4. 1528 in tam poslušal filozofijo s fiziko pri najimenitnejših slovenskih učenjakih, kot je bil Štajerec Andrej Perlah, medtem ko je Zasavec Matija Hvale bržkone umrl že pred Trubarjevim študijem. Kljub temu pa je Trubar seveda bral Hvaletovo filozofijo narave z razmišljanji o vakuumu, ki se nam je morda v NUK-u ohranila prav iz Trubarjeve knjižnice. Žal so nekaj mesecev po Trubarjevem prihodu Turki pod Sulejmanom Veličastnim prvič oblegali Dunaj; zato Trubar študija ni končal, temveč se je vrnil v Trst. Podobno je postopala večina Trubarjevih sošolcev, tako da je število na Dunajsko univerzo vpisanih študentov od blizu 700 iz Trubarjevih deških let padlo domala na ničlo leta 1532.1 Na Dunaju je vsaj deloma študiralo kar nekaj Trubarjevih sodelavcev, med njimi Adam Bohorič, ki je tam dosegel prvo akademsko stopnjo bakalavra leta 1547.2 Na Dunaju nabrana razmišljanja o vakuumu in drugih zagatah tedanjega prirodoslovja so vplivala na Bohoričev nakup petstotih knjig, njegov rektorat v Ljubljani in navsezadnje na njegovo pisanje. Vsaj Bohorič in Trubar sta bila tako med slovenskimi protestanti dediča bogate tradicije razmišljanj o vakuumu dunajskih profesorjev slovenskega rodu. Starejši Trubarjevi sodelavci so študirali v severni Italiji, med njimi škofa Peter Bonomo v Bologni (1487),3 Peter Pavel Vergerius mlajši pa v Padovi do leta 1523.4 Večina Trubarjevih mlajših sodelavcev, skupaj z njegovima sinovoma, Jurijem Dalmatinom, Frischlinom in Bohoričem je študirala v Tübingenu, saj se je wmttemberški vojvoda posebej zavzel za širjenje protestantizma v notranjeavstrijskih deželah s Kranjsko vred. 2 TERPINOV SEZNAM GORNJEGRAJSKIH KNJIG Kakšno je bilo Trubarjevo mnenje o vakuumu? Trubarjev knjižni načrt je bil izrazito verski,5 več prirodoslovnih misli pa je v njegovih pismih in predvsem v knjigah njegove knjižnice. Trubar je večkrat pohvalno pisal o Luthrovemu poglavitnemu sodelavcu, Filipu Melanchthonu, katerega fiziko z opisi vakuuma so uporabljali tudi v Ljubljani.6 Melanchthon je bil prepričan, da se narava kot prvo izogiba neskončnim veličinam, kot drugo vakuumu, po tretji plati več sočasnim legam istega telesa, končno pa še prodiranju v snov, kot peto pa uničenju substance. Zanikal je možnost vakuuma v naravi in podal primer vodne ure, kjer voda sproti zapolnjuje izpraznjeno. V vakuumu gibanje ni možno, so bili Melanchthonovi standardni sholastični odgovori, pa tudi nadaljevanje v poglavje o redčenju in konden-zaciji je bilo povsem Aristotelovo, podobno kot opisa časa in neskončnosti.7 Seznami knjig Trubarja in njegovih sodelavcev se niso ohranili, vendar pa so jih večinoma spravili v Gornjegrajsko škofijsko knjižnico na našem delu Štajerske. Tja so prenesli številna dela iz knjižnice protestantskih stanov, kjer je bila med drugim zbrana zapuščina protestantskih šolnikov: Ljubljančana Lenarta, njegovega sina Samuela Budina in 274 knjig Primoža, pozneje Felicijana Trubarja. Primož je po prodaji svoje ljubljanske hiše leta 1569 skrinjo s knjigami podaril kranjski "deželi in cerkvi"8 kot 1 Csendes, Opll, 2001, 386. 2 Ahačič, 2007, 77. 3 Kidrič, 1925, 1: 53. 4 Filipovi}, Rajhman, 1982, 4: 407. 5 Kranjc-Vrečko, 2002, 548. 6 Rajhman, 1986, 28, 41; Trubarjevo pismo cesarju Maksimilijanu 2. 1. 1560. 7 Melanchthon, 1560, 157v, 158r, 158", 160". 9 Rajhman, 1982, 4: 210. 10 Terpin, 1655, 16r; Simoniti, 1974, 31. 11 Aha~i~, 2007, 70. 12 Simoniti, 1974, 17-18. 13 HHStA, FAA, 337-392. Preglednica 1: Terpinov (1655) seznam gornjegrajskih knjig po enotah12 z opisi vakuuma v primerjavi s trinajst let poznejšim Schönlebnovim13 popisom knjig deželnega glavarja grofa Volfa Engelberta Turjaškega. Schönleben je v svoj katalog vnesel dobrih trikrat ve~ enot od Terpina. Terpinov vsebinski razdelek, stran Terpinovih naslovov Število naslovov v Schönlebnovem popisu Filozofija s fiziko, 15r-16r 55 85 Medicina, 16v-17r 19 92 Splošna zgodovina, 20r-21v 99 661 Skupaj vseh naslovov 994 3257 3 HVALE Najpomembnejši slovenski mislec o vakuumu Trubarjevih dni je bil Matija Hvale iz okolice Litije. Med gornjegrajskimi knjigami ljubljanskih škofov na južnem Štajerskem, ki jih je urejeval Terpin, je bila tudi Hvaletova Filozofija narave (1513). To je bila Slika 1: Vodnica Slovnica vodi študenta proti hiši znanja v eni od del iz Terpinovega najstarejšega slovenskega ohranjenega kataloga knjig (Reisch, 1508) osnovo za stanovsko knjižnico ali celo prvo javno knjižnico na slovenskih tleh,9 v kateri je bilo mogo~e prebrati tudi številna mnenja o vakuumu. Leta 1604 so deželni stanovi skušali pretihotapiti v sodih skrite knjige na Švabsko, vendar so jim tovor zaplenili in ga ve~idel odpeljali v Gornji Grad. Pol stoletja pozneje je škofijski vikar Terpin v Gornjem Gradu urejeval nekdanje knjige ravnatelja stanovske šole v Ljubljani Lenarta Budina, med njimi prirodoslovje Gregoriusa Reischa, vezano v lesene platnice.10 Reisch si je služil kruh kot spovednik cesarja Maksimilijana I. in prior pri sv. Janezu Krstniku v Freiburgu v Breisgauu. Obravnaval je aritmetiko, glasbo, arhitekturo, perspektivo in astronomijo ob odli~nih risbah pod Dürerjevim vplivom. O vakuumu je pisal predvsem ob opisu vesolja. Prvi je dal tiskati skico ~loveškega o~esa, pod naslovom Typus gra-mmatio pa je narisal gospo Slovnico, ki vodi u~enca po poti znanja skozi petnadstropno hišo. Na tretjem nadstropju je ~akala logika, na ~etrtem pa fizika s teorijami vakuuma in moralnimi nauki.11 Slika 2: Terpinov popis filozofskih knjig z opisi vakuuma -za~etek (Terpin, 1655, 15r) Preglednica 2: Terpinov popis knjig z opisi vakuuma Pisec Naslov Stran Kraj in leto Platon Opera Platonis 15r Palamedes Tabula seu index In opera Arlis 15r Johannes Versor Questionis in lib: phys. 15r 1486. Köln (2 izvoda) Boethius, Anicije Manilaj Severin De consolata philosophiae, rokopis 15r Wildenberg, Heronymus Totus philosophiae humanae 15v 1571. Basel: Oporniana Friderici Sunczer octo libros physicorum Aristotelis 15v 1500. Benetke: Jacobus Pentius Scarlichi, Rajnald manu scripta philosophia 15v 1606-1608. Gradec Reisch, Gregorius Margarita philosophica 16r 1508. Strasburg: Joannes Grüninger Aristotel Physica libri 16r Aristotel Tractatus de cometis material 16r 1653. Giessa: Chemlin Jezuiti iz Coimbre Octo lib. Phys. 16r Jezuiti iz Coimbre In 4 libros de Coelo. 16r Toledo, Francisco (Toledi) In Octo Libros (Aristotelis) Physica 16r 1600/1617. Benetke: luntas/Bertan Ziegler, Jakob Astronomia Plinis 16r, 21v 1531. Basel: Henric Petri (2 izvoda) Massario, Francesco; Plinij In nonum Plinii de naturali 16r 1537/1538. Basel: Froben (T). Plinij, Gaius Cecilius starejši Historia naturalis. (2 izvoda) 16v, 17r Jordan, Gregor Theatr. Coeli et Terra 21v 1591. Köln (2 izvoda) Bordini, Fran Quas et resp. Matematica 21v 1573. Bologna: Alexander Benati Padovani, Giovanni Viridarium Mathematicorum 21v 1563. Benetke: Bologni Zalter najstarejša tiskana obravnava vakuuma, kar so jih objavili prirodoslovci in filozofi slovenskega rodu. Hvale je začel sestavljati svojo edino objavo vsaj že leta 1502, ko je bil magister, blagajnik, predstojnik filozofske fakultete in vodja enega poglavitnih študentskih domov na Dunaju. Hvale je bil od 12. 4. 1510 dalje pol leta dekan Filozofske fakultete.13 Prenavljal je nominalizem, ki je na dunajski univerzi gospodoval že od njene ustanovitve leta 1365. Obenem je zagovarjal humanizem, ki naj bi na Dunaj znova privabil študente, potem ko so že začeli uhajati v Krakov in druga učilišča, saj je celo Kopernik študiral v Krakovu. Boj za humanizem je na Dunaju med letoma 1492 in 1502 vodil Slovenec astronom Perger kot pisec prve slovenske slovnice,14 nadaljeval pa Hvale kot najbolj izrazit naravoslovno usmerjen filozof prodirajočega humanizma z zametki novih idej o vakuumu. Uvod nepaginirane knjige je Hvale 10. 1. 1512 naslovil na svojega sodelavca, Radovljičana Pavla Obersteinerja, dunajskega magistra filozofije, ki je istega leta dosegel plemiški stan. Cesar Maksimilijan I. je leta 1513 naročil slovar slovenskega jezika svojemu svetovalcu in tajniku Obersteinerju, ki je obvladal tedaj zelo cenjeno umetnost tajnopisa. Obersteiner je postal stolni prošt, med letoma 1516 in 1544 pa kancler Dunajske univerze in nasprotnik luterancev v Nürnbergu. Švicarski zdravnik in župan mesta Gallena, poznejši protestant Joachim Vadian, je Hvali sestavil uvodni epigram,15 ki priča o Hvaletovi vpetosti v Slika 3: Terpinov popis filozofskih knjig z opisi vakuuma konec (Terpin, 1655, 15v, 16r) 13 Sodnik-Zupanec, 1975, 242, 244-245, 256, 259; Uršič, 1975, 89. 14 Ahačič, 2007, 90. 15 Uršič, 1975, 89-90; SBL, 4: 80 Sodnik-Zupanec, 1975, 164, 253, 262, 269, 294. dunajske humanistične kroge. Hvaletov učenec in nato sodelavec Vadian je med letoma 1516 in 1518 predaval humanistične vede. Skupaj s Tannstetterjem in drugimi izobraženci je bil član dunajske Sodalitas litteraria Danubiana in je tako deloval pod enakimi humanističnimi vzorci kot pisec geometrije v Terpi-novi lasti Vögelin. Hvale je knjižico zasnoval kot komentarje k Parvulus philosophiae naturalis, ki so jih na Dunaju uporabljali za dosego akademske stopnje bakalavra filozofije s prirodoslovjem in so jim že posvečali več časa kot študiju drugih slovitih del. Delo je razdelil v tri traktate, vsakega z več kot dvajsetimi lekcijami. Nasprotoval je Averroesu, podobno kot francoski humanist Fabri Stapulet, ki ga je Hvale zelo cenil.16 Hvale je po drugi strani uporabil precej arabske literature. Soglašal je z Occamovo (Ockham) teorijo impetusa, kot jo je razširil nominalist Buridan, usmerjal pa se je predvsem v prirodoslovne vede fiziologije, biologije in medicine. Buridan je bil leta 1327 rektor univerze v Parizu, leta 1342 pa kanonik v Arrasu. Zanikal je Aristotelovo trditev, da telesom po začetnem sunku (impetusu) nadaljnje gibanje omogoča okoliški medij. Po Buridanu zadostuje sunek, ki ga je opisal kot nekaj podobnega sodobni energiji. Medij mu ni bil nujen, še posebej ne za gibanje po vesolju, ki ga je tako napolnil kar z vakuumom, ne da bi to obešal na velik zvon. Tako je utemeljil princip vztrajnosti iz prvega Newtonovega zakona, nakazal pa je celo poznejši pojem sile. Vendar je še dolgo za njim Galileo uporabljal besedo "impeto" ali gibljivost tako za hitrost, ki jo telo pridobi v določenem času, kot za razdaljo, prepotovano na različno naklonjenih ravninah v danem intervalu. Kljub navdušenju nad Buridanom pa Hvale ni povsem sprejel njegovega odobravanja vakuuma, ki je bilo v tistem času tako redko. Dunajska univerza je že od svoje ustanovitve (1365) podpirala nominalizem Buridana in frančiškana Ockhama, med fiziki znanega po "Ockhamovi britvi". Nasprotna smer realistov Alberta Velikega in njegovega učenca Tomaža Akvinskega, ki je bila močno zastopana v Terpinovem katalogu knjig, je vakuum načeloma dopuščala kot možnost, saj ga ni enačila z ničem. Dvanajsto lekcijo prvega dela je Hvale okrasil s sliko poprsja človeka, še posebej pa se je posvetil posameznim delom lobanje in požiralnika, ki ga je narisal vidnega zunaj telesa. Tam je narisal še simbolično sliko človeške glave s črkami kot oznakami posameznih delov očesa.17 Problem prostora, vakuuma in kraja je rešil po okrajšani razlagi Aristotelovih definicij Alberta Velikega, katerega knjige je Terpin prav tako popisal. Kljub sicer modernim humanističnim prijemom je tu Hvale pristal na sholastičen Aristotelov prostor kot določilo snovne substance. To je pomenilo, da ni prostora brez snovi. Zato je Hvale trikrat odklonil obstoj vakuuma: ni praznega prostora zunaj sveta, ni ga v naravi zavoljo horror vacui, prav tako pa vakuuma ni v snovni vsebini teles, denimo v domnevnih porah.18 Posebno vprašljiva je bila prva trditev, ki je zanikala vakuum v vesolju, in je marsikdo dvomil o njej zaradi očitno neoviranega gibanja nebesnih teles. V prvi lekciji drugega dela je Hvale opisal štiri antične elemente in skiciral njihove povezave s štirimi človeškimi temperamenti, štirimi občutki in podobno.19 Število štiri se je humanistu Hvaletu pač zdelo nekaj posebnega. V šesti lekciji drugega dela je opisal redčenje in kondenzacijo. Redčenje je bilo seveda pot k vakuumu, ki pa Hvaletu ni bil povsem po godu. Ob Hvaletu so na Dunaju predavali številni drugi slovenski učenjaki Trubarjevih dni. Štajerec Perger je leta 1464 na dunajski univerzi kot magister filozofskih znanosti predaval Evklidovo geometrijo, optiko in matematiko z astronomijo, v kateri je posegal v vprašanja vakuuma. V letnem semestru 1470/71 je bil Ä "pLunJiltj £ Cotiifanuard tftimlfluj P» 'Jmagimutii Slika 4: Glava v Hvaletovi knjigi 16 Sodnik-Zupanec, 1975, 272, 277, 260, 302. 17Sodnik-Zupanec, 1975, 281, 283, 288, 291, 302; Pintar, 1949, 53; Hvale, 1513, 1: lekcije 12-17. 18 Sodnik-Zupanec, 1975, 288-289; Hvale, 1513, 1: lekciji 17-18. 19Sodnik-Zupanec, 1975, 302; Pintar, 1949, 53; Hvale, 1513, 2: lekcija 1. Slika 5: Stran iz Hvaletove knjige dekan dunajske filozofske fakultete, v zimskem pa rektor celotne univerze. Leta 1492 je cesar Friderik III. imenoval Pergerja za svojega poobla{~enca na dunajski univerzi; zato je imel ob Friderikovi smrti leta 1493 veli~astni žalni govor kot kancler novega cesarja Maksimilijana I., ki se je kmalu izkazal s svojo podporo znanstvenikom Pergerjevega kova. Bernhard je službo superinten-danta obdržal do 13. 10. 1500, ko je bil gotovo že bolan. Štajerec Perlah z zahodnega roba Slovenskih goric morda ni osebno poznal svojega malo vzhod-nej{ega rojaka Pergerja, vendar sta s svojim vplivom skoraj sledila drug drugemu na dunajski univerzi in na dvoru cesarja Maksimilijana I. Perlah se je tri leta po Trubarjevem rojstvu, leta 1511, vpisal na dunajsko filozofsko fakulteto in po {tirih letih dosegel naslov magistra pod vplivom rojaka Matije Hvaleta. Že kot {tudent je Perlah za~el po tedanjih navadah prepisovati in prirejati tuja dela, ki jih je ve~inoma posve~al svojemu za{~itniku, dunajskemu {kofu Juriju Sladko-nji; le-ta je bil rojen Ljubljan~an, kar ga je {e posebej približalo vrlemu Štajercu Pergerju. Sladkonja je v letu pred svojo smrtjo spomladi 1522 dovolil v dunajski cerkvi sv. Štefana pridigati zagovornikom novih reformacijskih pojmovanj,20 kar so kmalu preklicali. Perlah je po doktoratu na medicinski fakulteti leta 1530 postal {e profesor medicine. Sestavil je analogno ra~unalo Astrolabium Arithmeticum. Njegov izum 20Belii, 1971, 43, 46, 48. Organum Ptholemei je dajal dovolj dobro sliko za opazovanje Merkurja, kar so tedaj, pred izumom teleskopa, zmogli le redki. Latinski prevod Perlahovih nem{kih efemerid za leto 1531, izdanih leta 1530 na Dunaju, je oskrbel Perlahov u~enec Belokranjec Kukec. Ta je bil leta 1535 profesor matematike in prokurator {tudentov ogrske narodnosti na dunajski univerzi, leta 1539 pa je postal dekan dunajske filozofske fakultete. Tako sta Slovenca Perlah in Kukec dekanovala isto~asno kar na dveh od {tirih fakultet dunajske univerze. S Pergerjevo in Perlahovo tradicijo koledarjev je nadaljeval zdravnik Jakob Strauss, ki je pot k izobrazbi za~el v Budinovi zasebni {oli v Ljubljani. Od leta 1552 do leta 1556 je Strauss {tudiral na dunajski filozofski fakulteti do stopnje magistra. Leta 1560 je kon~al {tudij z odgovori na 144 vpra{anj, ki so se dotikala tudi obstoja vakuuma. Nato se je {e pred Istranom Santorijem odpravil na univerzo v Padovo in dobil doktorat iz medicine leta 1565. Leta 1571 je postal zdravnik v Celju, ob~asno pa je zdravil {e na Ptuju in v Radgoni. Tradicijo objavljanja koledarjev in prerokb sta po Perlahu v na{ih krajih nadaljevala Trubar in Kepler kot deželni fizik in profesor v Gradcu. Denar pri tovrstnih tiskih ni ležal le v podpori nekoliko praznovernih vladarjev in pleme-nita{ev; od Pergerja dalje so namre~ objavljali cenene koledarje celo za preprosto ljudstvo, kar je {lo seveda za med. 4 SANTORI Ob Dunaju je bila Padova prav tako pomembno središče učenjakov slovenskega rodu. [tevilni tedanji izobraženci so bili zdravniki, med njimi piranski protestant Janez Krstnik Goineo in Koprčan Ivan Bratti. Bratti je bil rojen v Kopru, kot nam sporoča zaznamek na njegovem glavnem delu Razpravi o novi in stari medicini. Brattijev sodobnik iz Kopra je bil fizik in zdravnik Santorio, sin furlanskega plemiča in koprske kneginje. Po začetnih šolah v Kopru in Benetkah je leta 1582 končal študij v Padovi, nato pa je zdravil na dvoru poljskega kralja, kjer je kapucin Valeriano Magni pol stoletja pozneje (1646) samostojno opravil Torricellijevemu podoben poskus v Varšavi. Razpoloženje na poljskem dvoru je bilo tako zelo naklonjeno vakuumskim poskusom že v času, ko je Santorio prvi stehtal zrak in tako dokazal zračni tlak. S tem je posredno potrdil možnost vakuuma, kar je pozneje ponovil Otto Guericke ob pomoči ljubljanskega kneza Janeza Vajkarda Turjaškega. Med letoma 1587 in 1599 je bi Santorio zdravnik v Karlovcu, ki so ga dogradili med letoma 1578 in 1583, oziroma na dvorih hrvaških grofov Krste, Juraja ali Nikole Zrinskega. Nato je zdravil v Benetkah kot član Galileijeve druščine. Med letoma 1611 in 1624 je Santorio v Padovi predaval medicino po dveh šestletnih pogodbah namesto tri leta starejšega Galileija, ki je odšel na medičejski dvor v Firence. Po upokojitvi (1624) je Santorio živel v Benetkah. V komentarju arabskega zdravnika Avicenne je takoj po začetku svojih padovskih predavanj prvi dodal skalo Galileijevemu termometru za medicinske meritve.21 Leta 1634 je izšel tretji ponatis Santorijeve medicinske knjige De Statica Medicina,22 ki jo je leta 1678 ponujal Mayr v Ljubljani.23 Z medicinsko statiko v obliki aforizmov je Santorio vpeljal raziskovanje metabolizma in druge poskuse v biološke vede. Santori je izumil tehtnico na stolu za merjenje lastne teže med jedjo in pitjem. Tako je dokazal velik delež izločanja skozi kožo. Meril je tlak in sestavil merilnik pulza z Galileijevim nihalom. Njegova razlaga metabolizma se pogosto omenja ob izumu krvnega obtoka sedemnajst let mlajšega Angleža Harveyja, ki je prav tako študiral v Padovi. Santorijeva zbrana dela (Opera omnia) so bila natisnjena posmrtno leta 1660.24 tfltf(H) jjjjf nf (Jf? rdh trie fckbttft pri'dj г Мфг |J fih Wrr JrttfJg« £i"'.tlurrr' гмМч nrirt ТТГП1ДГ llf [irftl'H fjiti III] J1 П4ј! h.tdb ^rffufrfrttr s«( .lihd? пзпие СвЛгпг fjii + £ЈЈ mm fhmitfi OfrXVQfufoflB*. txt KeflflfMlfTrt Tirrf 1>а*Ј®тчфШг fin (fbmnidlibAtc. кЛппшлц (In^iirf^f j|K(it 3(fjft Hivyt/ f» Г»Ц(Ј Mfai (fmrb(Votiri№ atfcjiпдо&Ши ^чсђти^Јмк TSta, W TO.u ји Alitiatftdi, ^Mn jff umi nun (Iridjf (Srtntti адЈж foctft^n fkritjfwA» £ftitnu£oPn prtv^iiettfl^ftitin.iiiCcr pjiifn iibcfc Afci^ifnn^ Вф ЗДдДОЛо»Aet jw,tui (Г!*1И лил fttg w Jrt mđruftjkfđff tfnrt^đrijji^i.ftil (еЕфтшђ 0« Зш ^ ilung hj чБ*Jrfl-.iМп« h* gfljtglHb Сп|Тфп mп Инмв; Чццрj£ifmi?rl ( ЈИјџ^бипђi pfuiiDf; (bfj^dđ; rfittip i |И g ifKiftcnqlJiti^tdmto « ил&ЛД(м< We i'f:rn& jiitin nmntii j i?funl>an «m JfiNrn [(«it pftin (ц bnđ> tuj« (fttiric$ (км$ шрфп* «f ■ (Min, (л fytti 1Вл «toft* t tur }iT( Km 3 ttfc Jitn^mp« iioft J j_4 i 1Г © 3 Ifp fflj^ m јп tu ©rwfcfci lupmwenfiiirмт п.тЛ Ita rHiMhtlftii afcffnlra ИИБРКЈУ.И^ГФГШ^И ЗДм tonil i ш «nWnflfhtm ЗДОДипдадоКоОЂфл fat, Off Л f rr Ф J t*r ČMUltffrjtibrti. -s? ЗДХУЈЗМДО. CciiOirffil^rlPrtllffl-I. ОлпЈ|ђ it ЧВма iiidrt®»fftiy » ј£ W(H*n«ЗШл aPinl» wfttm fdfetvftfti. Ii. (fo^wrtutliftf! i и w Јфг <(п nbn l:- vfuisiuff»,' mijiOHdjci/tNtin пмпРм uittijj* v i .11 in ih'l ћ.Ч ■ l( Mi* iu iL'p]iH. Et i. in6(" r nff 4M iff «ni« tu ^13 j j jfösim untJ t(fd?iTf rf Jitff Itf &lŠr«UHl4»4P 5Ujffr(lt1!re Jfjijf ПЈНЦГ- в^иип j.irUJrniit iuffi i(t rtirb-|оЕсђстР^ IlM^i(Ani'tainun jil'j ([iilifldi tup DrtriBrtltJ^Jjlff^fltt(1iFintrf липи.- uitD itirsn ^t ©iitftiilitr ^ itimiaftop Ц) jtwmKi iVf.d Гдпли^ггп ф^јиђ «(«Ht' №rb3UifiHnMMJ'*ll'l}41ЛТ10Ч VEK LA!-S t. м UNO WUKQE AM Hf>FE KAISEH H UDOM tt IN PHAfi МПШВИГЕЦ UND NACHFOLGER rvcilli DE ftRAHES tili. EVANGELISCHE £ПFT5SCHULE MUHDE f,i:!S<:HKi^SI-N UND IN I IN KLÜSTI--R PER l\(.AH!SS1NM:N U№E WANDEL1 Slika 13: Keplerjeva spominska plošča na stavbi Paradeishof številka 1 v Gradcu, kjer je poučeval (Foto: Bruno Besser, 2005) 36Belii, 1971, 30, 260-261. 37 Vidmar, 2000, 10, 24. 38 Kepler, 1984, 240, 242, XXIV. Kepler si je dopisoval tudi z Galileijem, čeprav ni soglašal z vsemi njegovimi opisi vakuuma. Kepler je v besedilo Misterija vstavil več geometrijskih slik. Orbite planetov je povezal s petimi tedaj znanimi pravilnimi liki. Kocko je postavil med Saturn in Jupiter, tetraeder pa med Jupiter in Mars. Še v Harmonices Mundi (1619) je Kepler uporabljal pravilne like za razmejitev orbit posameznih planetov, čeprav je medtem že ugotovil, da model ne more biti povsem točen. Ideja je bila povezana s Keplerjevimi razmišljanji o simetriji kristalov, objavljeni v praških opazovanjih prvih snežink na novo leto 1611. Razmišljanja o površinah in kristalnih oblikah je povezoval s kovinskimi spojinami samimi in tako snoval alkimijske povezave planetov in kovin, ki se še danes kažejo pri imenu Merkurja. V Keplerjevih mladih letih so za vekomaj prešli časi strpnosti do protestantskih veroizpovedi. Novi veter je napovedal nadvojvoda Ferdinand II., ki je 23. 9. 1598 zapovedal vsem protestantskim pastorjem in učiteljem, naj zapustijo Gradec v šestih dneh. Ukrep se je vsem prizadetim sprva zdel nemogoče oster. Dne Pmrlrnfmic bis $ Ш k? AT 1 O ХУ M COSMOCRA- f U I C « » t И, COHTtNl.Hl И I 1 T £ ■ I v H COlMOChArill* C V M. DE ADMIRABILI PROPORTIONE O ft B I V M C 0E L t t r M . * l|»l! J t rTtfjrior.fj(rfi«i J(-.r