Устройство для определения прочности сцепления покрытий с подложкой

Полезная модель относится к оборудованию для испытания материалов и может быть использована для изучения прочности сцепления покрытий с подложкой.
Прочность сцепления покрытия с подложкой - адгезионная прочность, является одним из основных критериев, определяющих работоспособность нанесенных на изделия покрытий.
Известно устройство для определения прочности сцепления покрытия с подложкой, содержащее матрицу с конусным отверстием, вставленный в это отверстие заподлицо с рабочей поверхностью матрицы штифт, покрытие, нанесенное на рабочую поверхность матрицы и торец штифта, гайку, навинченную со стороны покрытия на матрицу и имеющую приспособление для захвата, а между покрытием и гайкой расположен клеевой слой для их скрепления.
После затвердевания клеевого слоя к штифту и приспособлению для захвата гайки прикладывают нормальное усилие отрыва, по величине которого судят о прочности сцепления испытуемого покрытия с подложкой, в качестве которой использован торец штифта (см. патент РФ на полезную модель №50674, кл. G01N 19|04, 2006 г.).
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что определение прочности сцепления на основе отрыва штифта, вставленного в матрицу заподлицо с ее поверхностью, на которую нанесено покрытие, не позволяют достичь высокой точности определения адгезии ввиду необходимости обеспечения высокой точности сопряжений отрывного элемента и подложки с нанесенным покрытием на них.
Кроме того, причиной, препятствующей достижению высокой точности испытаний этим устройством, является то, что при исследовании прочности сцепления в случае тонкого покрытия или высокой адгезии к поверхности штифта зачастую происходит когезионное разрушение покрытия в результате среза покрытия по толщине у края торца штифта.
Известно устройство для определения прочности сцепления покрытия с подложкой, состоящее из корпуса, отрывного элемента, механизма нагружения и измерителя силы, отрывной элемент закреплен на поворотном механизме с возможностью приложения к указанному отрывному элементу нормальной или касательной нагрузки относительно подложки и имеет коническое углубление, в центре которого выполнено калиброванное отверстие, а измеритель силы выполнен тензометрическим и имеет пиковый детектор.
(см. патент РФ №2419084, кл. G01N 19/14, 2011 г.) - наиболее близкий аналог.
Данное устройство не обеспечивает проведение испытаний с требуемой точностью из-за несовершенства механизма нагружения. Кроме того, оно непроизводительно, что ограничивает использование устройства при проведении испытаний серий образцов.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение точности оценки прочности сцепления покрытия с основным материалом (подложкой).
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для определения прочности сцепления покрытий с подложкой, содержащее основание, элементы для установки образца, динамометрическую оправку с индентором, предназначенным для контакта с испытуемым образцом, новым является то, что элементы для установки образца выполнены в виде центров, один из центров установлен на корпусе мотор-редуктора, размещенного на основании и кинематически связан с его выходным валом, а другой - на выдвижной пиноли задней бабки, установленной на основании, динамометрическая оправка установлена на верхней каретке, смонтированной с возможностью поперечного перемещения по нижней каретке, установленной на основании с возможностью продольного перемещения посредством привода.
Выполнение элементов для установки и вращения образца в виде центров, один из которых является приводным, а другой имеет возможность осевого возвратно-поступательного перемещения, обеспечивает установку и приложение вращающего момента к образцу с исследуемым покрытием по его торцам, где нет покрытия, что, в отличие от решения - наиболее близкого аналога, исключает влияние механизмов установки и приведения во вращение образца на точность проведения испытаний.
Размещение динамометрической оправки с индентором на верхней каретке, с возможностью продольного и поперечного перемещения относительно образца, позволяет обеспечить в процессе испытаний непосредственный контакт индентора с исследуемым покрытием и прикладывать к покрытию сдвиговые нагрузки, практически полностью совпадающие с нагрузками, действующими на покрытие в реальных условиях его эксплуатации, что, несомненно, по сравнению с наиболее близким аналогом (в котором механизм нагружения образца выполнен в виде нагружающего винта, смещающего отрывной элемент от подложки до отрыва покрытия или сдвига на срез, при котором в случае испытания тонкого покрытия или обладающего высокой адгезией к поверхности отрывного элемента, происходит когезионное его разрушение в результате среза по толщине у края отрывного элемента) позволяет существенно повысить точность испытаний.
Весьма существенным для достижения указанного технического результата является также и то, что конструкция заявленного устройства обеспечивает испытание образцов, изготовленных из материалов реальных изделий, на которые по разработанной технологии нанесено покрытие, что позволяет при проведении испытаний полностью имитировать условия, в которых будет эксплуатироваться деталь с нанесенным на нее покрытием. В решении - наиболее близком аналоге исследуемое покрытие наносят на скрепленные друг с другом подложку и отрывной элемент, которые выполнены не из материала изделия, а из материала, позволяющего легко удалить после проведения испытаний материалы покрытия неразрушающим методом, то есть, в решении - наиболее близком аналоге полученные показатели сцепления материала с подложкой не идентичны условиям сцепления реальной детали и реального покрытия.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - устройство для определения прочности сцепления покрытий с подложкой, вид сбоку;
- на фиг. 2 - разрез а-а по фиг. 1.
Устройство для определения прочности сцепления покрытий с подложкой состоит из основания 1, установленного на опорах 2. На основании 1 смонтированы мотор-редуктор 3 для обеспечения вращения образца 4 с испытуемым покрытием, привод 5, шток 6 которого связан с нижней кареткой 7.
Нижняя каретка 7 установлена на основании 1 с возможностью продольного перемещения по основанию 1, оснащена продольными направляющими 11 и связана с приводом 5.
На нижней каретке 7 установлена с возможностью поперечного перемещения верхняя каретка 8, оснащенная ручным механизмом перемещения 9, выполненным известным образом, например, в виде передачи «винт - гайка» и закрепленной на винте рукояткой. На верхней каретке размещена динамометрическая оправка 10 с алмазным индентором (не показан).
Устройство оснащено элементами для установки подлежащего испытанию образца, выполненными в виде переднего центра 12 и заднего центра 13. Передний центр 12 является поводковым для обеспечения вращения образца 4, установлен на корпусе мотор-редуктора 3 и кинематически связан с его выходным валом. Задний центр установлен в выдвижной пиноли задней бабки 15, имеющей возможность осевого перемещения посредством рукоятки 14. Центры 12 и 13 соосны друг другу.
Устройство работает следующим образом.
Для работы устройство устанавливают опорами 2 на плоской площадке. Устанавливают алмазный индентор в динамометрическую оправку 10, которую устанавливают в верхней каретке 8 таким образом, что вершина алмазного индентора располагается на высоте центров 12 и 13 устройства.
7
В качестве алмазного индентора используется инструмент для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД) методом алмазного выглаживания. Для покрытий микротвердостью £250-107 Па рекомендуется индентор, радиусом вершины 1,5 мм, а для покрытий микротвердостью <250⋅10 Па - индентор, радиусом вершины 3 мм.
Образец выполнен в виде цилиндра 020 мм и длиной 100 мм, на образующую которого по исследуемой технологии нанесено покрытие заданного состава, толщиной не более 0,1 мм.
Для проведения серии испытаний образец 4 с испытуемым покрытием устанавливают в центры 12 и 13 и поджимают перемещением пиноли задней бабки 15.
Устройство готово к проведению испытаний.
Включают мотор-редуктор 3, приводя во вращение образец 4 с нанесенным на него испытуемым покрытием.
Перемещают верхнюю каретку 8 до контакта с покрытием вершины индентора и с использованием динамометрической оправки 10 устанавливают силу прижима алмазного индентора к испытуемой поверхности значением, например, 5 кгс.
у
Включают привод 5 и перемещают нижнюю каретку 7 вдоль образца 4, в результате которого алмазный наконечник индентора осуществляет упруго- пластическое деформирование участка цилиндрической поверхности покрытия образца длиной, например, 5 мм, после чего производят кратковременный (например, в течение 2-х секунд) ручной отвод индентора от образца 4 поперечным перемещением верхней каретки 8 без отключения продольной подачи нижней каретки, после чего перемещением верхней каретки в противоположном поперечном направлении вводят наконечник индентора в контакт с покрытием, увеличивая усилие его прижатия к покрытию на длине контакта 5 мм. Описанный выше процесс деформирования повторяется несколько раз с увеличением силы контакта на каждом новом участке, например, на 3 кгс от предыдущей величины. Таким образом, на поверхности образца деформируются несколько (например, восемь) участков с силой Р: 5 кгс, 8 кгс, 11 кгс, 14 кгс, 17 кгс, 20 кгс, 23 кгс, 26 кгс.
После проведения испытаний образца, он удаляется из центров и производится визуальный осмотр деформированных участков покрытия с целью обнаружения участка, на котором наблюдается отслаивание покрытия и определения, таким образом, величины силы деформирования, вызывающей отслаивание покрытия. Если отслаивание не наблюдается, то покрытие обладает максимальной прочностью сцепления. Возможно проведение новой серии испытаний с увеличением силы контакта образца с наконечником индентора. Величина силы деформирования, предшествующая участку с отслаиванием (шелушением) покрытия, служит количественной оценкой прочности сцепления покрытия.
к
Контактное давление алмаза на поверхность покрытия (Р) определяет напряжение, возникающее на границе между покрытием и основой, которое является причиной отслаивания покрытия.
к
наиб
к
наиб
Установлено, что наибольшая прочность сцепления покрытия с металлической основой Р связана с микротвердостью покрытия (Н) соотношением: Р=0,34⋅Н.
2
2
2
2
2
2
2
2
Например, наибольшая прочность сцепления для: гальванического кадмиевого покрытия составляет 17 кгс/мм (Н=50 кгс/мм), химического никель-фосфорного покрытия - 181 кгс/мм (Н=550 кгс/мм), гальванического хромового покрытия - 357 кгс/мм (Н=1050 кгс/мм), гальванического покрытия серебром - 61 кгс/мм (Н=180 кгс/мм).