СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПОРОШКОВОГО ПОКРЫТИЯ
PROCEDURE FOR DETERMINATION OF STRENGTH OF POWDER COATING

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.
покр
пр
обр
обр
покр
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, которое упрочняют электромеханической обработкой, на внутренней поверхности полого цилиндрического образца выполняют кольцевую проточку на глубину t, составляющую 0,75-0,85 от толщины стенки t полого цилиндрического образца, которую определяют из условия t≥10t, 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
- σ - временное сопротивление покрытия;
обр
- σ - временное сопротивление образца с покрытием;
всв
- σ - временное сопротивление образца-свидетеля;
-  - относительная площадь поперечного сечения покрытия;
покр
- А - площадь поперечного сечения покрытия в месте разрушения;
обр
- А - 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.
обр
покр
обр
покр
пр
обр
пр
обр
пр
обр
обр
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≥10t, где t- толщина стенки образца; t - толщина покрытия. Затем в образце выполняется внутренняя кольцевая проточка (3) на глубину t=(0,75-0,85)t. Аналогичная кольцевая проточка (4) выполняется и на образце-свидетеле (5) (фиг.2), изготовленном из того же материала, что и образец с покрытием. Величина t=(0,75-0,85)tобусловлена следующим: при значениях t<0,75t 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 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
- σ - временное сопротивление покрытия;
в
обр
обр
обр
обр
- σ = F/А - временное сопротивление образца с покрытием (F- разрушающее усилие образца с покрытием);
в св
св
св
св
- σ = F/А временное сопротивление образца-свидетеля (F- разрушающее усилие образца-свидетеля);
-  - относительная площадь поперечного сечения покрытия;
покр
- А - площадь поперечного сечения покрытия в месте разрушения (6) (фиг.3);
обр
- А - площадь поперечного сечения образца с покрытием в месте разрушения (7) (фиг.3);
св
- А - 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:
нс
вс
обр
нс
вс
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 - площадь поперечного сечения наружного слоя образца; А - площадь поперечного сечения внутреннего слоя образца; А - общая площадь поперечного сечения составного образца. Учитывая, что S+S=1, получаем:
покр
Откуда, учитывая, что  a  где  - временное сопротивление порошкового покрытия;  - временное сопротивление образца-свидетеля; S- относительная площадь поперечного сечения порошкового покрытия, получим:
Реализация предложенного способа осуществляется по следующим этапам.
обр
покр
покр
Изготавливают из одного материала полые цилиндрические образцы с толщиной стенки t≥10t, где t - толщина покрытия.
покр
На наружную цилиндрическую поверхность одного образца наносят порошковое покрытие плазменным напылением толщиной t.
Осуществляют ЭМО покрытия с целью повышения прочности сцепления с основным металлом и плотности порошкового покрытия.
пр
обр
Выполняют внутренние кольцевые проточки на образце с покрытием и образце-свидетеле на глубину t=(0,75-0,85)t.
Проводят испытания образца с покрытием и образца-свидетеля на осевое растяжение до разрушения.
обр
св
покр
обр
покр
пр
Определяют площади поперечных сечений в месте разрушения образца с покрытием - А, образца-свидетеля - А и только покрытия - А на основании измерения (фиг.1 и фиг.2) диаметра образца D, диаметра покрытия D и диаметра проточки D с точностью до 10 мкм:
;
.
в обр
в св
Определяют временные сопротивления образца с покрытием σ и образца-свидетеля σ.
Вычисляют временное сопротивление покрытия из условия:
.
H
вн
пр
обр
2
Пример: осуществляли обработку по предложенному способу партии цилиндрических образцов (материал - сталь 45 ГОСТ 1050-74, НВ 224-240, Rz20, D=25 мм, D=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/мм (при напряжении 2-6 В). Кольцевые проточки в образцах с покрытием и образцах-свидетелях осуществляли внутренней расточкой на глубину t=0,8t=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.