способ определения прочности порошкового покрытия

Формула изобретения

Способ определения прочности порошкового покрытия полученного плазменным напылением с последующим упрочнением электромеханической обработкой, заключающийся в том, что на поверхность полого цилиндрического образца наносят плазменным напылением порошковое покрытие толщиной t_покр, которое упрочняют электромеханической обработкой, отличающийся тем, что на внутренней поверхности полого цилиндрического образца выполняют кольцевую проточку на глубину t_пр , составляющую 0,75-0,85 от толщины стенки t_обр полого цилиндрического образца, которую определяют из условия t _обр 10 t_покр., выполняют на такую же глубину кольцевую проточку на образце-свидетеле, испытывают образец с покрытием и образец-свидетель на осевое растяжение до разрушения и определяют прочность порошкового покрытия из условия

,

где - временное сопротивление покрытия;

- временное сопротивление образца с покрытием;

- временное сопротивление образца-свидетеля;

- относительная площадь поперечного сечения покрытия;

А_покр, - площадь поперечного сечения покрытия в месте разрушения;

А_обр - площадь поперечного сечения образца с покрытием в месте разрушения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам механических испытаний, а именно к методам определения прочности порошковых покрытий, полученных плазменным напылением с последующей обработкой концентрированными потоками энергии (КПЭ), в частности, электромеханической обработкой (ЭМО), с целью оценки прочности (когезии) порошковых покрытий различного состава, в том числе нанопокрытий, и выбора оптимальных режимов ЭМО.

Современной проблемой машиностроения является увеличение износостойкости узлов трения. Перспективным направлением в решении данной задачи является нанесение на рабочие поверхности пары трения износостойких порошковых покрытий плазменным напылением. Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться при создании порошковых покрытий, является крайне низкая (по сравнению с прочностью самих частиц) когезионная и адгезионная прочность покрытия. Эффективными методами повышения этих характеристик является применение обработки плазменного покрытия КПЭ, в частности ЭМО, однако для выбора оптимальных режимов ЭМО порошковых покрытий различного состава требуется определение прочности покрытия.

Известен способ определения прочности соединения тонкого покрытия с подложкой (патент РФ № 2298167, кл. G01N 19/04, опубликован 27.04.2007), заключающийся в вырезании из покрытия прямоугольной площадки с последующим растяжением образца до разрушения соединения покрытия с подложкой. Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, является невозможность определения прочности покрытия, так как разрушение происходит по границе соединения покрытия с подложкой.

Для определения механических свойств покрытий с помощью образца (АС СССР № 1610384, кл. G01N 3/24, опубликовано 30.11.90) определяют прочность покрытия на сдвиг при его нанесении на образец, выполненный в виде резьбового цилиндра. Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, является невозможность определения прочности покрытия, так как разрушение происходит путем среза материала покрытия.

Известен способ определения прочности сцепления слоев соединения (АС СССР № 1087840, кл. G01N 19/04, опубликовано 23.04.84), заключающийся в нанесении на образец тонкого покрытия с последующим выполнением в нем поперечных пазов и растяжением до отслоения покрытия от образца. Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, является невозможность определения прочности покрытия, так как разрушение происходит по границе соединения покрытия с образцом.

Наиболее близким по техническому уровню является способ определения прочности покрытия (патент Германии № 10143679, кл. G01N 3/08, опубликован 10.10.2002), заключающийся в нанесении покрытия на составной образец с последующим разрушением при испытании на изгиб. Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, является большая погрешность определения прочности порошкового покрытия, полученного плазменным напылением с последующей обработкой КПЭ, так как в зоне соединения составного образца нарушаются условия теплоотвода, а следовательно, и свойства покрытия в области разрушения.

Таким образом, известные способы определения прочности покрытий имеют низкий технический уровень, связанный с невозможностью или большой погрешностью определения прочности порошковых покрытий, полученных плазменным напылением с последующей обработкой КПЭ, в частности ЭМО.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового способа определения прочности порошкового покрытия, полученного плазменным напылением с последующей обработкой КПЭ.

Техническим результатом является повышение точности и достоверности определения прочности порошкового покрытия, полученного плазменным напылением с последующей обработкой КПЭ.

Технический результат достигается тем, что способ определения прочности порошкового покрытия, полученного плазменным напылением с последующим упрочнением электромеханической обработкой, заключается в том, что на поверхность полого цилиндрического образца наносят плазменным напылением порошковое покрытие толщиной t_покр, которое упрочняют электромеханической обработкой, на внутренней поверхности полого цилиндрического образца выполняют кольцевую проточку на глубину t_пр, составляющую 0,75-0,85 от толщины стенки t _обр полого цилиндрического образца, которую определяют из условия t_обр 10t_покр, выполняют на такую же глубину кольцевую проточку на образце-свидетеле, испытывают образец с покрытием и образец-свидетель на осевое растяжение до разрушения и определяют прочность порошкового покрытия из условия:

,

где

- _впокр - временное сопротивление покрытия;

- _обр - временное сопротивление образца с покрытием;

- _всв - временное сопротивление образца-свидетеля;

- - относительная площадь поперечного сечения покрытия;

- А_покр - площадь поперечного сечения покрытия в месте разрушения;

- А_обр - площадь поперечного сечения образца с покрытием в месте разрушения.

На фиг.1 показан образец с нанесенным порошковым покрытием; на фиг.2 - образец-свидетель; на фиг.3 - поперечное сечение образца с нанесенным порошковым покрытием в зоне разрушения; на фиг.4 - поперечное сечение образца-свидетеля в зоне разрушения.

Предлагаемый способ определения прочности порошкового покрытия реализуется следующим образом. На поверхность полого цилиндрического образца (1) (фиг.1) плазменным напылением наносят порошковое покрытие (2), которое подвергают электромеханической обработке с целью повышения прочности сцепления с основным материалом и плотности порошкового покрытия. При этом для обеспечения нормальных условий теплоотвода должно выполнятся условие t_обр 10t_покр, где t_обр - толщина стенки образца; t_покр - толщина покрытия. Затем в образце выполняется внутренняя кольцевая проточка (3) на глубину t _пр=(0,75-0,85)t_обр. Аналогичная кольцевая проточка (4) выполняется и на образце-свидетеле (5) (фиг.2), изготовленном из того же материала, что и образец с покрытием. Величина t _пр=(0,75-0,85)t_обр обусловлена следующим: при значениях t_пр<0,75t_обр увеличивается объемная доля материала образца по сравнению с объемной долей покрытия, что снижает точность определения временного сопротивления покрытия, а при значениях больше tпр>0,85t_обр возникает тепловое и деформационное влияние на порошковое покрытие при выполнении внутренней кольцевой проточки, что приводит к изменению механических свойств порошкового покрытия. Образец с покрытием и образец-свидетель испытывают на осевое растяжение до разрушения и определяют прочность порошкового покрытия из условия:

,

где

- _{в покр} - временное сопротивление покрытия;

- _вобр = F_обр/А_обр - временное сопротивление образца с покрытием (F_обр - разрушающее усилие образца с покрытием);

- _{в св} = F_св/А_св временное сопротивление образца-свидетеля (F_св - разрушающее усилие образца-свидетеля);

- - относительная площадь поперечного сечения покрытия;

- А_покр - площадь поперечного сечения покрытия в месте разрушения (6) (фиг.3);

- А _обр - площадь поперечного сечения образца с покрытием в месте разрушения (7) (фиг.3);

- А_св - площадь поперечного сечения образца-свидетеля в месте разрушения (8) (фиг.4).

Образец с покрытием может рассматриваться как составной двухслойный образец, в котором наружным слоем (нс.) является покрытие, а внутренним (вс.) - материал полого образца. Определение прочности составного образца осуществляется из условия:

где - временное сопротивление наружного слоя образца; - временное сопротивление внутреннего слоя образца; - относительная площадь поперечного сечения наружного слоя образца; - относительная площадь поперечного сечения внутреннего слоя образца; А_нс - площадь поперечного сечения наружного слоя образца; А_вс - площадь поперечного сечения внутреннего слоя образца; А_обр - общая площадь поперечного сечения составного образца. Учитывая, что S_нс+S_вс =1, получаем:

Откуда, учитывая, что a где - временное сопротивление порошкового покрытия; - временное сопротивление образца-свидетеля; S_покр - относительная площадь поперечного сечения порошкового покрытия, получим:

Реализация предложенного способа осуществляется по следующим этапам.

Изготавливают из одного материала полые цилиндрические образцы с толщиной стенки t_обр 10t_покр, где t_покр - толщина покрытия.

На наружную цилиндрическую поверхность одного образца наносят порошковое покрытие плазменным напылением толщиной t _покр.

Осуществляют ЭМО покрытия с целью повышения прочности сцепления с основным металлом и плотности порошкового покрытия.

Выполняют внутренние кольцевые проточки на образце с покрытием и образце-свидетеле на глубину t_пр=(0,75-0,85)t_обр.

Проводят испытания образца с покрытием и образца-свидетеля на осевое растяжение до разрушения.

Определяют площади поперечных сечений в месте разрушения образца с покрытием - А_обр, образца-свидетеля - А_св и только покрытия - А_покр на основании измерения (фиг.1 и фиг.2) диаметра образца D_обр, диаметра покрытия D_покр и диаметра проточки D_пр с точностью до 10 мкм:

;

.

Определяют временные сопротивления образца с покрытием _{в обр} и образца-свидетеля _{в св}.

Вычисляют временное сопротивление покрытия из условия:

.

Пример: осуществляли обработку по предложенному способу партии цилиндрических образцов (материал - сталь 45 ГОСТ 1050-74, НВ 224-240, Rz20, D_H=25 мм, D_вн =15 мм). Порошковое покрытие Ni20Cr наносили плазменным напылением толщиной 0,5 мм. ЭМО осуществляли обкаткой роликом из твердого сплава ВК8 с радиусами рабочего профиля r=36 и R=4 мм. Усилие обкатки составляло 1 кН, скорость обработки 0,03 м/с, продольная подача 0,1 мм/об, охлаждение 10% раствор эмульсола. Плотность электрического тока составляла 400 А/мм² (при напряжении 2-6 В). Кольцевые проточки в образцах с покрытием и образцах-свидетелях осуществляли внутренней расточкой на глубину t_пр=0,8t _обр=4 мм. Испытания на растяжение проводили на разрывной машине «Losenhausenwerk» со скоростью 5 мм/мин до разрушения.

Результаты определения временного сопротивления покрытия представлены в таблице. Для сравнения приведены значения временного сопротивления, определенные известным способом.

Как видно из данной таблицы, средние значения временного сопротивления, определенного по предлагаемому и известному способу, отличаются не более чем на 2,2%, что подтверждает достоверность предлагаемого способа, в то время как точность определения прочности порошкового покрытия, оцениваемая величиной коэффициента вариации, по предложенному способу в шесть раз выше, чем по известному.