ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ ТОНКИХ ПОКРЫТИЙ С ОСНОВНЫМ МЕТАЛЛОМ: ОБЗОР МЕТОДОВ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

АННОТАЦИЯ

В работе представлен обзор существующих способов определения прочности сцепления тонких покрытий с основным металлом. На основе анализа методов для определения адгезионной и когезионной прочности покрытий, обработанных электроконактным припеканием выбраны способы измерения, обеспечивающие достаточную воспроизводимость и точность показателей прочности. Приведены результаты экспериментов адгезионной и когезионной прочности покрытий, полученных из композиционных порошковых материалов.

ABSTRACT

The paper presents an overview of existing methods for determining the adhesion strength of thin coatings to the base metal. Based on an analysis of methods for determining the adhesive and cohesive strength of coatings treated with electrocontact adhesion, measurement methods were selected that ensure sufficient reproducibility and accuracy of strength indicators. The results of experiments on the adhesive and cohesive strength of coatings obtained from composite powder materials are presented.

Ключевые слова: надежность, износ, покрытие, адгезия, когезия, электроконтакное припекание.

Keywords: reliability, wear, coating, adhesion, cohesion, electrical contact sintering.

На современном этапе развития машиностроения в целом, а также в других отраслях промышленности наряду с технологическими параметрами производства (производительность, ремонтопригодность, себестоимость и др.) важным показателем является надежность работы оборудования. Надёжность работы оборудования зависит от условий работы механизмов и машин. Исследованиями последних лет установлено, что до 95 % отказов оборудования связано с износом или разрушением рабочих поверхностей деталей. Установлено также, порядка 80% деталей, типа тел вращения, подверженных изнашиванию имеют величину износа 0,11,5 мм. Восстановление размеров изношенных деталей с малыми величинами износа традиционными дуговыми способами имеет ряд существенных недостатков, такие как технологическая ограниченность возможности нанесения минимальной толщины покрытия, деформация детали, большое тепловложение и др.

Применение способов нанесения относительно тонких слоев покрытий, как газопламенное, плазменное, осаждение из растворов, электроконтактное и другие, позволять не только восстанавливать геометрические размеры, но и подбором соответствующих материалов упрочнять рабочие поверхности, что способствует повышению ресурса деталей.

Одним из эффективных методов повышения износостойкости является создания защитного или упрочняющего слоя на поверхности изношенной детали, для новой детали- в стадии изготовления. Применение защитных упрочняющих покрытий рабочих поверхностей позволяет заменить высоколегированные и высокопрочные стали, что значительно снижает себестоимость продукции при обеспечении необходимой надёжности работы оборудования.

Анализ существующих способов нанесения защитных и упрочняющих покрытий показывает широкого применения следующих видов газотермического напыления:

- плазменное напыление;

- холодное газодинамическое напыление;

- сверхзвуковое газопламенное напыление;

- детонационное напыление и др.

Защитные или упрочняющие покрытия, нанесенные газотермическими способами напыления имеют низкие прочностные свойства по сравненного с основным металлом. Адгезионная прочность сцепления с основным металлом являеться наиболее важным показателем возможности применения материалов для покрытия, зависит также от многих технологических параметров режима нанесения. Адгезия покрытия зависит от взаимодейсвия молекул и атомов материалов покрытия и детали, от образования общих зерен в зоне соединения. Количественная мера адгезии покрытия и есть адгезионная прочность сцепления с основным металлом. Величина адгезионной прочности для газотермических способов нанесение покрытий первоначально зависит от вида подготовки поверхности, от механического, физического и химического взаимодействия с поверхностью основного металла.

Для образования покрытий толщиной до 1,5 мм можно принимать следующие теоретические обоснования адгезии:

• связь между покрытием и подложкой определяется адсорбцией молекул покрытия к поверхности подложки (когда покрытие формируется из жидкого состояния);
• за счет диффузии, связанной взаимной растворимостью покрытия и подложки, подвижностью молекул, природой и числом связей, приходящихся на единицу площади фактического контакта покрытия и подложки;

Из технологических условий на образование покрытия и адгезию влияют следующие факторы

• тип химической связи между атомами материала покрытия;
• структура покрытия;
• толщина покрытия;
• скорость образования покрытия;
• состояние поверхности основного металла;
• температура в зоне соединения подложка – покрытие;
• окисные пленки на поверхности основного металла.

Процесс сцепления и образования связей, одинаковых по химическому составу тел носит название когезии. Величина когезионной прочности сцепления покрытия связана с взаимодействием частиц наносимого материала между собой, зависит от размера частиц, химического и фазового взаимодействия, а также от пористости. Пористость покрытия в некоторых случаях может быть уменьшена последующим оплавлением или единовременным тепловым воздействием и пластической деформацией.

Качество нанесенного покрытия оценивается по прочности сцепления с основным металлом и по прочности сцепления элементов покрытия между собой, т.е. адгезионной и когезионной прочностью.

В области разработки различных методов определения прочности сцепления покрытый большой вклад внесли Н.Н. Дорожкин, В.К. Ярошевич, Я.С. Генкин, В.А. Верещагин, которые продолжали исследования, начатые А.И. Райченко, Е.В. Рыморовым и И.Д. Радомысельским.    Широко известны также исследования Д.А. Волкова, Д.А. Лопаты, И.М. Трегубова, В.В. Балихина, Ф.И. Пантелеенко. Исследовательские работы по определению технологических и механических свойств покрытий, полученных из порошковых материалов с использованием различных технологий ведутся в Московском государственном техническом университета им. Н.Э. Баумана, Институте проблем прочности НАН Украины, Тернопольском национальном техническом университете, Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете, Башкирском государственном аграрном университете и др. В Республике Узбекистан исследования ведутся в ТГТУ им. Ислама Каримова, Андижанском машиностроительном институте.

На сегодняшний день существующие методы определения адгезионной и когезионной прочности невсегда дают достаточно корректные результаты. Теоретически вычисленные показатели прочностных характеристик также дают усредненные значения, т.е. не учитывать все факторы, влияющие на процессы нанесения покрытий, такие как изменение теплотехнических и электрических свойств материалов в зависимости от температуры, пористости и других, что слишком усложняют теоретические исследования[1].

В данной работе проведен анализ существующих схем определения адгезионной и когезионной прочности покрытий, полученных газотермическими способами напыления с последующим электроконтактным припеканием.

Наиболее простым методом для измерения прочности сцепления покрытый, нанесенных на плоские поверхности являются испытания на изгиб, рис.1. Этот метод используется для определения прочности сцепления между частицами нанесённого порошкового слоя, т.е. определяется когезионная прочность сцепления. Сосредоточенная сила прикладывается до появления трещины на покрытии.

Рисунок 1. Схема испытания на изгиб

Достаточно распространены схемы испытаний на срез, где определяется напряжение среза по поверхности в зоне соединения покрытие-деталь.

Указанные варианты деталей дают завышенные значения прочности из-за трения между частями приспособлений. При испытании на срез покрытый, нанесенных на плоские детали, имеющие небольшую толщину, следует имеет в виду, что из-за пониженной жесткости образцов условия нагружения меняются, что может привести также к завышению показателей прочности.

Вопросы точности определения адгезионной прочности сцепления пока не имеет точного теоретического определения и результаты адгезионной прочности определяются по экспериментальным данным.

Для тонкопленочных покрытий исследователи применяют метод скретч-тестирования, основанного на международных стандартах или же метод вдавливания индентора методом Роквелла. Тонкопленочные металлические покрытия  толщиной до 10 мкм, металлические и керамические толщиной до 20 мкм предназначены для нанесения на поверхности инструментов и деталей, работающих в условиях различных видов износа и коррозии. Тонкопленочные покрытия охлаждаются из паровой фазы. Покрытия могут быть одно-и многослойные, мультислойные, аморфные и др.

Скретч тестирование – это метод, где анализируется царапины, сделанных индентором в условиях приложения к нему постоянной или возрастающей к испытуемой поверхности усилия. Адгезионная прочность определяется моментом разрушения покрытия и нагрузкой, при которой глубина вхождения индикатора в зоне соединения покрытия – подложка перестает плавно расти. Выпускается приборы для скетч тестирования MST-3, Rtec 3D, Revetest, Nanovea и другие, рис.2. Следует отметить, что указанным методом определятся ориентировочные или усредненные результаты.

Рисунок 2.  Определение прочности сцепления скретч-тестированием а-начало замера, б-отрыв покрытия

На результаты оказывают влияние начального состояния поверхности, детали, толщина покрытия, пористость, которая достигает 7-8%, различие коэффициентов коэффициентов термического расширения и др. Прочность сцепления зависит так же от напряжения, возникающего как в самом покрытии, так и в зоне соединения[2]. При увеличении толщины покрытия эти напряжения могут привести самоотслоению покрытия, рис.3. Различные схемы определение прочности сцепления, применяемые при исследованиях, приведены в табл.1.

Таблица 1.

Схема испытаний на прочность сцепления

Рисунок 3. Самоотслоение предварительно нанесенного покрытия в результате остаточных напряжений

Для повышения прочности покрытий применяются различные технологические способы-последующее оплавление покрытия, поверхностная пластическая деформация, предварительный нагрев детали и др[3].

В настоящее время достаточное количество исследований, показывающие эффективность электроконтактного припекания как способа повышения прочности предварительно нанесенных покрытий газотермическими способами, так и применения самого метода для нанесения покрытий. Для определения прочности сцепления покрытий, упрочнённых или полученных непосредственно электроконтактным припеканием целесообразно использовать метод Стеффенса и различные варианты этого метода. Тщательная подготовка деталей приспособления, обеспечение соосности приспособления и прилагаемого усилия обеспечивают повышенную точность и воспроизводимость результатов.

Электроконтактным припеканием можно наносить покрытия из композиций порошков, материалов сплошного сечения в виде проволок и лент из различных металлов. Являясь энергосберегающей технологией, способ позволяет сохранять “наследственные” свойства материалов покрытия. Технологический процесс в зависимости от вида материала состоит из нескольких этапов:

• предварительное нанесение порошкового слоя или сплошного материала (имеется возможность совмещать процесс);
• нагрев покрытия до температуры спекания порошкового материала или до температуры пластичности сплошного материала покрытия;
• образования прочной диффузионной связи (общих зерен) с поверхностью основного металла.

Соединение образуется одновременным воздействием на наносимый слой высокой температуры и давления. Температура в зоне соединения покрытия – деталь достигает (0,9~0,95)Tnл, давление процесса в зависимости от параметров режима 30 – 60 Мпа. Для определения когезионной прочности в зависимости от толщины покрытия  были проведены эксперименты композиционными порошковыми материалами ПН85Ю15 и ПГ – СР1. Когезионную прочность покрытия с основным металлом определяли методом кольцевого отрыва, рис.4.

Рисунок 4. Матрица и пуансон для испытания методом кольцевого отрыва

Покрытия наносили плазменным напылением с последующим электроконтактным припеканием. Поверхность образцов были обработаны шлифованием. Результаты экспериментов приведены на рис.5.

Рисунок 5. Зависимость когезионной прочности покрытия из порошка ПН85Ю15 после напыления с последующим электроконтактным припеканием

Установлено, что с увеличением толщины от 0,2 до 1,2 мм наблюдается увеличение когезионной прочности для покрытия из порошка ПН85Ю15 

Рисунок 6. Зависимость прочности сцепления от величины тока и длительности импульса

Наиболее достоверные результаты при определении адгезионной прочности покрытия были получены при использовании для экспериментов усовершенствованного метода Стеффенса-называемого методом Олларда. Значения показателей прочности, произведенные на различных участках имеют разброс не более 8%, т.е. обеспечивается достаточная точность. На рис.6. приведены результаты адгезионной прочности покрытия, нанесенного из порошкового материала ПГ–СР1, при различных величинах тока и длительности импульса припекания. При использовании конического штифта диаметром более 4 мм наблюдается либо поперечное разрушения покрытия по периметру штифта, либо смешанный тип разрушения, когда часть покрытия отслаивается по границе раздела покрытие – штифт, а другая по покрытию.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ применяемых способ определения прочности сцепления тонких (до 1,5 мм) покрытия различными способами.
2. На основе анализа различных способов определения прочности сцепления выбраны способы и технологическая оснастка для экспериментов когезионной и адгезионной прочности тонких покрытий. Для определения адгезионной прочности использован метод отрыва конического штифта, для определения когезионной прочности – метод кольцевого отрыва, как имеющие наименьший разброс показателей.
3. Методом отрыва конического штифта определена прочность сцепления покрытия из порошка ПГ-СР, определены оптимальные параметры режима ЭКП.

Список литературы:

1. Дудчак В.П. Теоретические предпосылки к исследованию адгезионной прочности полимерных композиционных покрытий с основой. В.П Дудчак /Elektrical surface treatment methods-2003-vol.39-issuse-c 27-30 Adhesion Measurement of Films and Coatings. Vol.2. K.L.Mitral (Ed).2001. VSB BV-35IP
2. Эргашев Махмуд, Садуллаев Зарип Шарифович, Хожибекова Шохида Миродиловна, Рауфов Лазизбек Мухиджон Угли, Абдукаххоров Абдуазиз Абдулазизхон Угли ОБ ОДНОМ ИЗ СПОСОБОВ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ ПРИПЕКАНИИ // Universum: технические науки. 2022. №4-2 (97). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ob-odnom-iz-sposobov-issledovaniya-kinetiki-prevrascheniy-pri-elektrokontaktnom-pripekanii .
3. Эргашев Махмуд, Рауфов Лазизбек Мухиджон Угли, Абдукаххоров Абдуазиз Абдулазизхон Угли, Ходжибекова Шохида Миродиловна, Муродкосимов Равшан Холмат Угли ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ ПРИПЕКАНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВ // Universum: технические науки. 2021. №12-1 (93). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-ostatochnyh-deformatsiy-pri-elektrokontaktnom-pripekanii-kompozitsionnyh-poroshkov  .