Are You suprised ?

УДК 621.824.32.004.15
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ,
НАНЕСЕННЫХ МЕТОДАМИ НАПЫЛЕНИЯ И НАПЛАВКИ
Науменко А.А., к.т.н., доцент, Харьяков А.В., к.т.н., доцент
(Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени
Петра Василенка)
В статі наведено випробування зразків, які отримані нанесенням
компенсуючих знос покриттів методом плазмово-порошкового наплавлення та
напиленням з використанням воднево-кисневого полум’я. Показано, що при
дотриманні технології нанесення міцність зчеплення досягається на рівні ≥200 800МПа, що задовольняє вимоги, які пред’являються до цих покриттів
При восстановлении изношенных деталей нанесением компенсирующих
износ покрытий качество восстановления зависит в наибольшей степени от
прочности их сцепления с основным металлом и износостойкости. Первая
характеристика считается одним из основных критериев, которые определяют как
область применения, так и эксплуатационные свойства покрытия [1, 2, 3]. В связи
с этим целью работы является выбор метода оценки измерения для получения
достоверных сведений о прочности сцепления покрытий.
Выполненный анализ существующих методов оценки прочности соединения
покрытия с основным металлом позволяет разделить их по испытаниям на отрыв,
сдвиг и прочие [4]. Испытания на отрыв покрытий от подложки осуществляют путем
создания нормальных напряжений на границе их раздела. Основные их схемы
общеизвестны [5]. Этот вид испытаний подразделяется на 14 самостоятельных
398
способов. Испытания на сдвиг осуществляют путем создания касательных
напряжений на границе раздела покрытия с подложкой. Выбирая ту или иную схему
испытаний, можно получить разнообразные виды напряженного состояния в зоне
адгезионного соединения покрытия с подложкой, и тем самым оценить адгезионную
прочность в условиях, наиболее близких к реальной эксплуатации изделий с
покрытиями.
Проведенный анализ методов испытаний на прочность сцепления покрытия с
материалом основы показал, что существующее их разнообразие позволяет с
большей или меньшей степенью достоверности и повторяемости оценивать
указанную характеристику.
Многообразие
и
взаимодействие
факторов,
определяющих
прочность
соединения покрытия с основой, а также отсутствие единой стандартной методики
затрудняет, а иногда и делает невозможным сопоставление данных, полученных с
отличающимися покрытиями, размерами и формой образцов у различных
исследователей [4]. Помимо этого для покрытий, содержащих значительное
количество пор, что характерно для исследуемых методов нанесения покрытий,
характерно заниженное получение результатов в случае применения штифтовых
методик. Существенным недостатком большинства из методов определения
прочности покрытия с основой является зависимость определяемого показателя от
размеров образца. Так, для отдельных методов изменение масштабного фактора
приводит к падению величины разрушающего напряжения почти в 2 раза, что
является недопустимым, при оценке целесообразности применения покрытия для
ответственных деталей, работающих в различных условиях нагружения.
Поэтому для соблюдения условия наименьшего расхождения лабораторного
эксперимента от условий эксплуатации, в качестве образцов для исследования на
прочность сцепления изготовили цилиндрические заготовки, вырезанные из
экспериментальных образцов. Покрытия наносили на сталь 45 (вал ротора
турбокомпрессора СМД-ТКР-11Н-2 и шейки коленчатого вала двигателя СМД –
399
60), восстановленных методом плазменно-порошковой наплавки и методом
нанесения
покрытий
с
использованием
водородно-кислородного
пламени.
Покрытия наносили по технологиям, описанным ранее [6, 7.] Предполагалось, что
оцененный критерий адгезионной прочности покрытия для валов, работающих в
условиях сложных знакопеременных нагрузок, будет достаточным и для
корпусных деталей сельскохозяйственной техники, работающих в менее тяжелых
условиях.
Для оценки
прочности
сцепления покрытия наносимого
плазменно-
порошковым методом использовали методику испытаний на сдвиг.
Несмотря на то, что в результаты испытаний могут вноситься элементы
неопределенности, связанные с тем, что приложенная нагрузка распределяется
неравномерно по не регламентируемой длине цилиндрической части образца,
однако простота изготовления и проведения испытаний по данному методу
обусловили
её
широкое
распространение
и
возможность
сопоставления
полученных данных с результатами других исследователей [4]. Матрицу
изготавливали с твердостью не ниже 60HRC. Толщина покрытия в экспериментах
составляла 1,5 - 2 мм. Торцевые поверхности образцов выполняли строго
горизонтальными. Для предотвращения перемещения образца в горизонтальной
плоскости в процессе проведения испытаний в матрице была выточена канавка,
глубиной 1 мм. При этом допуск диаметров для матрицы составил H7, для образца
h7. Количество образцов для испытаний выбирали из расчета 5 испытаний на
каждый способ нанесения покрытия. Испытания образцов производили на
гидравлическом прессе RYE 25×355.
Оценив прочность сцепления по описанной выше методике, установили, что
при нанесении предложенного композиционного покрытия на основе железа
легированного хромом, никелем, молибденом, кремнием и бором, обеспечивается
на уровне 800 МПа.
Оценку
прочности
сцепления
покрытия
400
наносимого
с
применением
водородно-кислородного
пламени
проводили
по
методике,
предложенной
Гуляевым А.П. и Гудцовым Н.Т. на специальных образцах, вырезанных
непосредственно из шеек коленчатого вала. Эта методика применяется при
исследовании покрытий толщина которых не превышает 1мм.
Сущность данной методики заключается в том, что при нанесении отпечатка
алмазным индентором (прибор ПМТ-3) в область переходной зоны (рис. 1) при
недостаточном уровне прочности сцепления за счет напряжений происходит
расклинивание и от концов отпечатка зарождается трещина. По величине
раскрытия трещины, используя зависимость (1), можно оценить предельную
прочность сцепления (σ).
2
d
σ = H 
l ,
(1)
где Н- уровень микротвердости;
d – длина диаганали отпечатка, мм;
l – длина раскрытия трещины, мм.
Оценку уровня прочности производили при нагрузках на индентор Р=50, 100,
150 и 200г. Во всех случаях появление трещины не обнаружено (рис. 1). В случае,
когда разрушение слоя (отслаивание нанесенного покрытия от основы) не
наступает, то прочность сцепления будет не менее, чем:
σ=2Р/d2,
(2)
Оценив прочность сцепления по зависимости (2), получили, что при
нанесении покрытия напылением с использованием водородо-кислородного
пламени она обеспечивается на уровне ≥200МПа.
В отличии от наплавки при напылении прочность сцепления существенным
401
образом зависит от диффузионных процессов. Наличие переходной зоны,
протяженность
которой
составляет
порядка
12мкм,
свидетельствует
о
диффузионных процессах, происходящих между материалом основной детали и
покрытием. За время диффузии большее количество атомов уходит из подложки в
покрытие (восходящая диффузия), чем из покрытия в подложку. В результате
граница раздела деталь-покрытие смещается, что обуславливает появление
переходной зоны.
Известно, что коэффициенты диффузии никеля в железо по границам зёрен,
субзёрен и дислокациям составляет 9,5×10 -19 м2/с, а железа в никель- 6,6×10-10 м2/с,
это объясняет повышенную концентрацию железа в переходной зоне, которая и
обеспечивает необходимую прочность сцепления.
Рис. 1. Зона сплавления основного и нанесенного материала.
1 – отпечаток индентера при нагрузке 50г., 2 – 100г., 3 – 150г., 4 – 200г.
402
Результаты приведенных выше исследований были использованы при
разработке технологических процессов нанесения компенсирующих износ
покрытий на различные детали сельскохозяйственной техники и они внедрены на
Пересечанском, Старосалтовском и Шевченковском РТП Харьковской области.
Список литературы
1. Сидашенко А.И. Практикум по ремонту машин. – Харьков: Прапор, 1993. 328с.
2. Черноиванов В. И. Организация и технология восстановления деталей
машин. - М.: Агропромиздат, 1989. − 336 с.
3. Гарбер М. И. Прогрессивные методы подготовки поверхности // Журнал
Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. - 1980. - № 2. - С. 129 - 137.
4. Тушинский Л. И., Плохов А. В. Исследования структуры и физикомеханических свойств покрытий. − Новосибирск: Наука, 1986. − 200 с.
5. Анциферов В. Н., Бобров Г. В., Дружинин Л. К. и др. Порошковая
металлургия и напыленные покрытия: Учебник для вузов. - М.: Металлургия,
1987. − 792 с.
6. Сидашенко А.И., Скобло Т.С., Науменко А.А. и др. Рекомендации по
восстановлению деталей газопламенным напылением порошков с использованием
водородно-кислородной смеси. Харьков 2003, с.34.
7. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Харьяков А.В., Науменко А.А. Особенности
формирования структуры износостойких покрытий наносимых на детали из
среднеуглеродистых и низколегированных сталей. Вісник ХНТУСХ. Технічний
сервіс АПК, техніка та технології сільськогосподарському машинобудуванні.
Випуск № 68. – Харків, 2008. – С. 13 – 19.
403