ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ОТРЫВ НАНЕСЕННОГО СЛОЯ ОТ ОСНОВЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к образцам для испытания на отрыв нанесенного слоя от основы, например антифрикционного слоя от основы подшипника скольжения, а также касается устройства для изготовления образца.
Известен образец для испытания на отрыв слоя из менее тугоплавкого металла от основы из более тугоплавкого металла, выполненный в виде призматической пластины, имеющей надрезы до границы раздела частей образца, соответственно из металла слоя и основы, а также имеющей паз для установки толкателя [1]. Соединение частей образца образовано при взаимодействии расплава металла слоя с металлом основы.
Приспособление для изготовления образца включает графитовую пластину с глухими отверстиями, служащими тиглями для расплавления металла слоя, графитовую крышку и железную оправку для закрепления части образца из металла основы.
Заготовки из металла-растворителя, предварительно отлитые или выточенные по форме тигля, плотно вставляют в каждое отверстие, которое накрывают сверху графитовой крышкой.
Заготовки из более тугоплавкого металла размером 3×5×40 мм укрепляют в пазах железной оправки таких же размеров, как и графитовая крышка. Металл слоя расплавляют в муфельной лабораторной электропечи с автоматическим регулированием температуры в атмосфере аргона. Образцы твердого металла, предварительно очищенные и обезжиренные, погружают в расплав при разных температурах, при этом уже оправка играет роль крышки тигля.
После выдержки в течение определенного времени графитовые формы извлекают из печи и охлаждают на воздухе. Из полученных после охлаждения биметаллических слиточков изготавливают образцы, имеющие надрезы с двух сторон до границы раздела частей образца из металлов слоя и основы.
При выполнении надрезов сложно обеспечить две равновеликие площадки контакта частей образца. В результате, при испытании нагрузка на образец распределяется по двум площадкам контакта неодинаково, что способствует неодновременному отрыву частей образца при испытании, и как следствие, ведет к недостоверности результатов испытания.
Кроме того, существует ряд слоистых изделий, получаемых путем плакирования с использованием пластической деформации. В этом случае образцы, изготовленные вышеупомянутым образом, не отражают реальной технологии изготовления изделий, что также ведет к недостоверности результатов испытаний.
Известен образец для испытания на отрыв слоя из менее тугоплавкого подшипникового металла от основы из более тугоплавкого металла в подшипниках скольжения [2]. Соответствующие части образца имеют цилиндрическую форму, причем часть образца из металла основы имеет больший диаметр, по сравнению с диаметром части образца из металла слоя. Каждая из частей имеет центральное отверстие. Контакт между частями образца, сформирован по сферической поверхности при взаимодействии расплава металла слоя с металлом основы в процессе кристаллизации металла слоя.
Соответственно устройство для изготовления образца включает литейную форму для размещения расплава металла слоя и формообразования соответствующей части образца. Одна из формообразующих поверхностей литейной формы образована торцевой поверхностью части образца из металла основы. Устройство также включает оправку для закрепления части образца из металла основы. Оправка и литейная форма могут быть выполнены как зацело, так и иметь поверхность раздела.
Возникающие при литье дефекты из-за относительно большой по площади поверхности контакта частей образца снижают достоверность результатов испытания на отрыв.
Здесь необходимо отметить, что не только в известных образцах, но и в реальных изделиях литейные дефекты являются отрицательным фактором, на устранение которого направлены приемы современных технологий изготовления изделий, в том числе изделий, типа подшипников скольжения. К таким приемам можно отнести осуществление кристаллизации расплава металла слоя под давлением [3], а также пластическую деформацию слоя [4]. В результате использования перечисленных приемов готовый слой имеет частично или полностью деформированную структуру, которая значительно повышает износостойкость изделия. Кроме того, даже частичное устранение пор на поверхности соединения слоя с основой при кристаллизации расплава металла слоя под давлением повышает прочность соединения. Дальнейшее повышение прочности соединения может быть достигнуто за счет пластической деформации слоя. С этих позиций известные образцы также не обеспечивают достоверности результатов испытаний прочности соединения нанесенного слоя с основой на отрыв. Здесь необходимо отметить, что прочность соединения частей образца по сравнению с прочностью соединения слоя с основой в изделии может быть только выше. Обратная картина приведет к занижению требований к качеству изделия.
Недостатком устройства для изготовления образца [2] является невозможность быстрого и удобного изъятия готового образца из литейной формы. Более того, в процессе извлечения возможно преждевременное нарушение целостности соединения частей образца. Такой дефект, если он остается незамеченным, также снижает достоверность результатов испытаний.
Задачей изобретения в части конструкции образца для испытания на отрыв нанесенного слоя от основы является обеспечение повышенной достоверности результатов испытания.
Задачей изобретения также является упрощение конструкции образца.
Задачей изобретения является создание устройства для изготовления образца для испытания на отрыв нанесенного слоя от основы.
Дополнительной задачей изобретения в части устройства для изготовления образца является его конструктивное усовершенствование для быстрого, удобного и бездефектного изъятия готового образца из литейной формы.
Поставленная задача решается в случае, когда образец для испытания на отрыв нанесенного слоя от основы, состоящий из двух частей, выполненных соответственно из металлов слоя и основы, соединение между которыми образовано при взаимодействии расплава металла слоя с металлом основы отличается от известного тем, что каждая из частей образца в поперечном сечении представляет круг, при этом, часть образца из металла слоя имеет большую площадь поперечного сечения и участок в виде конуса, для обеспечения сопряжения частей образца.
Поставленная задача решается также в случаях, когда:
- по крайней мере, на участке в виде пирамиды, в том числе конуса, часть образца из металла слоя имеет деформированную структуру, а соединение между частями образца образовано при дополнительном воздействии на процесс его формирования пластической деформации;
Поставленная задача решается также в случае, когда устройство для изготовления образца для испытания на отрыв нанесенного слоя от основы, включающее литейную форму для формообразования части образца из металла слоя, часть формообразующей поверхности которой образована торцевой поверхностью части образца из металла основы, оправку для закрепления части образца из металла основы, отличается от известного тем, что устройство также содержит поршень.
Дополнительная задача решается в случае, когда:
- между литейной формой и оправкой имеется поверхность разъема.
- литейная форма и/или оправка выполнены разъемными;
- устройство выполнено разъемным в плоскости, включающей ось устройства.
Повышение достоверности результатов испытания на отрыв нанесенного слоя от основы, при использовании заявляемого образца достигается за счет того, что конструкция образца позволяет исключить влияние на прочность соединения частей образца из металлов слоя и основы факторов, связанных, с технологией изготовления образца, в частности, с механической обработкой образца. Более того, конструкция образца позволяет приблизить технологию изготовления образца к технологии изготовления изделия. При этом образец имеет очень простую конструкцию. Устройство для изготовления образца также имеет простую конструкцию. Устройство для изготовления образца позволяет осуществить кристаллизацию расплава металла слоя под давлением и его дальнейшую пластическую деформацию, по крайней мере, на участке, прилегающем к поверхности соединения.
В технике широко известен конструктивный признак, когда две части устройства, имеющие в сечении форму круга, но с разными диаметрами окружности, сопрягаются при помощи конического участка.
Для заявляемого образца конический участок играет неочевидную роль. С этого участка, ввиду его меньшего сечения, начинается кристаллизация расплава металла слоя.
Если кристаллизацию проводить под давлением, то наибольший эффект, выражающийся в уменьшении литейных дефектов, достигается в первую очередь также на упомянутом участке. Поскольку конструкция образца специально обуславливает использование поршневого давления, то даже при незначительном увеличении давления поршня начинается совмещаемая с кристаллизацией пластическая деформация части образца из металла слоя. При этом наиболее благоприятные условия для ее протекания, близкие к условиям всестороннего сжатия, возникают на рассматриваемом участке. Участок прилегает к поверхности соединения частей образца из металлов слоя и основы, поэтому в результате повышается, прежде всего, прочность соединения частей образца.
Дополнительный эффект выражается в том, что большая площадь поперечного сечения части образца из металла слоя при неполном распространении влияния кристаллизации под давлением и пластической деформации на всю его часть предотвращает разрыв образца не по месту соединения.
Конструкция образца является предельно простой, что в свою очередь обуславливает простоту устройства для его изготовления.
В устройстве, при наличии поверхности разъема между литейной формой и оправкой, небольшое количество расплава затекает в соответствующий зазор. При последующем воздействии давления затекающий металл продвигается в него дальше. При этом корка, образовавшаяся на поверхности части образца из металла слоя, прилегающей к поверхности соединения частей образца растрескивается с обновлением лишенных окислов ювенильных поверхностей, способствующих образованию более качественного и прочного соединения между частями образца.
Другие разъемы облегчают изъятие готового образца из устройства для его изготовления.
Исходя из технологической целесообразности, в устройстве для изготовления образца возможна различная комбинация разъемов.
Изобретение поясняется графическими материалами, где:
на фиг.1 представлен чертеж образца для испытания на отрыв нанесенного слоя от основы;
на фиг.2 представлен чертеж устройства для изготовления образца для испытания на отрыв нанесенного слоя от основы;
на фиг.3 представлен чертеж устройства для изготовления образца для испытания на отрыв нанесенного слоя от основы с разъемом между литейной формой и оправкой;
на фиг.4 представлен чертеж устройства для изготовления образца для испытания на отрыв нанесенного слоя от основы с разъемными литейной формой и оправкой;
на фиг.5 представлена микроструктура баббита Б83 в зоне цилиндрического участка (а) и в зоне конического участка (б) металла слоя;
на фиг.6 представлена фотография слева направо образца, литейной формы с оправкой, поршня, бандажа.
Образец (фиг.1) состоит из части 1, выполненной из металла основы и части 2, выполненной из металла слоя. При этом, часть образца из металла слоя имеет большую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения участка из металла основы, и конический участок 3 для сопряжения частей образца. Поз. 4 обозначена поверхность соединения частей образца. Соединение частей образца образовано при взаимодействии расплава металла слоя с металлом основы. На части 1 образца выполнена резьба 5.
Устройство для изготовления образца (фиг.2) содержит оправку 6 для закрепления части образца из металла основы, совмещенную с литейной формой 7 для формообразования части образца из металла слоя, поршень 8 для осуществления процесса кристаллизации под давлением расплава металла слоя. При этом часть формообразующей поверхности литейной формы образована торцевой поверхностью части 1 образца из металла основы. Высота установки части 1 образца регулируется посредством гайки 9.
В устройстве для изготовления образца (фиг.3) имеется разъем между литейной формой и оправкой. Поверхность разъема показана поз.10. Для фиксации частей устройства служит бандаж 11 с компенсатором 12.
В устройстве для изготовления образца (фиг.4) литейная форма и оправка выполнены разъемными, соответственно из частей 13, 14 и 15, 16.
Пример 1.
Изготавливали образец для испытания на отрыв антифрикционного слоя от основы подшипника скольжения. При этом, в качестве металла слоя использовали баббит марки Б83, а в качестве металла основы - сталь 20. Устройство для изготовления образца выполняли из стали 45.
Часть образца 1, устанавливали в оправке 6, при этом высота установки регулировалась посредством гайки 9. Затем сборку нагревали до температуры 240°С. Заливали в литейную форму 7 баббит при температуре 450°С. По достижении средней температуры в системе прикладывали к баббиту давление поршня 8 для осуществления кристаллизации баббита под давлением. На участке образца 3, где кристаллизация происходит наиболее интенсивно, давление приводит к заполнению жидкой фазой междендритного пространства, измельчению, при дальнейшем затвердевании, кристаллитов и переходу от литейной структуры к деформированной. На фиг.5 поз. а) отмечена зона металла слоя, находящаяся на удалении от конического участка и состоящая преимущественно из крупных кристаллитов с развитыми дендритными образованиями, характерными для литой структуры. Поз. б) отмечена зона металла слоя на коническом участке с деформированной структурой.
Далее, после остывания, готовый образец извлекали из устройства.
Пример 2.
Отличается от примера 1 тем, что для изготовления образца использовали устройство, имеющее разъем 10 между литейной формой и оправкой, а также бандаж 11 с компенсатором 12. При воздействии на расплав давления поршня, небольшое количество расплава затекало в разъем 10 между литейной формой и оправкой. При этом, затекающий расплав может размещаться в компенсаторе 12.
После остывания образец извлекали из устройства.
Пример 3.
Отличается от примера 2 тем, что оправка 6 и литейная форма 7 выполнялись разъемными. После остывания, с устройства снимали бандаж 11, разъединяли части литейной формы 13, 14, части оправки 15, 16 и только затем извлекали готовый образец. Наличие дополнительных разъемов позволило существенно облегчить процесс извлечения готового образца из устройства. Соотношение размеров частей устройства показано на фиг.6.
Источники информации, принятые во внимание
1. Астров Е.И. Плакированные многослойные металлы. М.: Металлургия, 1965, с.45-46.
2. Подшипники скольжения. Металлические многослойные подшипники скольжения. Разрушающие испытания прочности соединения антифрикционного слоя и основы/ ГОСТ ИСО 4386-2-99.
3. Потехин Б.А., Кочугов С.П., Глушенко А.Н., Илюшин В.В. Усовершенствованная технология изготовления баббитовых подшипников скольжения /Модернизация оборудования и технологий как условие обеспечения конкурентоспособности и безопасности производства /Тезисы докладов научно-технической конференции в рамках 3 международной специализированной выставки «СВАРКА, НЕФТЕГАЗ», Екатеринбург, 2003. С.63-64.
4. Барыкин Н.П., Фазлыахметов Р.Ф., Журавлев Г.И. Повышение надежности подшипников скольжения паровых турбин / XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий / Краткие сообщения. - Екатеринбург, 2003. - С.143-145.