СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ С ОСНОВОЙ НА ОТРЫВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
DETERMINATION OF STRENGTH OF COAT ADHESION TO SUBSTRATE AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к исследованиям механических свойств покрытий, а именно к способам определения прочности сцепления покрытия с основой.
Известен аналогичный способ оценки прочности сцепления покрытий с основой на отрыв [1], в котором на основу наносят покрытие, прикладывают нагрузку к установленному отрывному элементу и оценивают напряжение, при котором покрытие отрывается от основы. Причем отрывной элемент прикрепляют к основе фиксаторами до нанесения покрытия, затем наносят покрытие так, чтобы часть покрытия легла на отрывной элемент, а часть - на основу через калиброванное отверстие в отрывном элементе, удаляют фиксаторы, нагружают отрывной элемент до отрыва или среза отрывного элемента и определяют прочность сцепления покрытия с основой как отношение максимальной нагрузки, действующей на отрывной элемент, к площади калиброванного отверстия отрывного элемента либо к площади покрытого участка основой.
Недостатком данного способа является низкая достоверность получаемых результатов для оценки прочности сцепления покрытия с основой, получаемых высокоскоростными газотермическими методами напыления (например, детонационным методом) из-за турбулентности потока частиц, возникающей в зоне воронки.
В качестве прототипа выбран способ [2], заключающийся в отрыве торца штифта от покрытия, нанесенного на рабочую поверхность основы и торец штифта, вставленного заподлицо в коническое отверстие в основе. После нанесения на внешнюю поверхность клеевого слоя, сжатия его накидной гайкой до полного смачивания клеем внутренней поверхности накидной гайки и отверждения клея прикладывают к штифту и накидной гайке нормальное усилие отрыва.
Недостатком данного способа является низкая достоверность получаемых результатов из-за наличия трения покоя между штифтом и матрицей.
Известно аналогичное устройство для определения прочности сцепления покрытия с основой (матрицей) [3], включающее основу с конусным отверстием, вставленный в это отверстие заподлицо с рабочей поверхностью основы штифт и покрытие, нанесенное на рабочую поверхность основы и торец штифта, причем соотношение малого диаметра отверстия и толщины покрытия должно находиться в интервале от 1,0 до 2,0.
Недостатком устройства является наличие трения в конусном отверстии между матрицей и штифтом, что снижает достоверность оценки адгезионной прочности.
Известно устройство, принятое за прототип [1], содержащее поворотный элемент с хвостовиком, основание, плоскую пружину, нагружающий винт, индикатор часового типа, отрывной элемент, фиксирующие винты, позиционирующий болт, стягивающий болт, тензорезисторы, толкатель, основу, фиксирующие винты, а также измеритель нагрузки, включающий тензопреобразователь, пиковый детектор и индикатор нагрузки.
Недостатком устройства является низкая достоверность определения прочности сцепления покрытия с основой вследствие того, что непосредственная фиксация отрывного элемента на основе фиксирующими винтами часто становится причиной отрыва покрытия от основы при отвинчивании фиксирующих винтов.
Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности оценки адгезионной прочности сцепления покрытия с основой.
Технический результат достигается тем, что на основу наносят покрытие, прикладывают к нему усилие и по величине разрушающей нагрузки определяют адгезионную прочность сцепления как отношение разрушающей нагрузки к площади отрыва покрытия, при этом перед нанесением покрытия к поверхности основы прижимают толкатель, после нанесения покрытия снимают усилие прижима толкателя к поверхности основы, не оказывая при этом механического воздействия на покрытие, и прикладывают к толкателю усилие на отрыв, одновременно измеряя величину приложенного усилия, а после испытания толкатель меняют на новый. Устройство для реализации способа содержит плоскую пружину, нагружающий винт, тензорезисторы, толкатель, основу, тензоусилитель, пиковый детектор и индикатор нагрузки, при этом в основе имеется паз с распорным винтом, обеспечивающим возможность деформации паза.
Заявленный способ реализуется в устройстве (фиг.1), содержащем: основу 1 с отверстием, в который вставлен толкатель 2, и пазом; распорный винт 3, обеспечивающий возможность деформации паза; гайку 4, имеющую возможность прижимать толкатель к основе; покрытие 5, связывающее толкатель с основой силами адгезионного сцепления; плоскую пружину 6, в которой на одном конце имеется отверстие для установки основы, в центральной изогнутой части наклеены тензорезисторы 7, а на другом конце - резьбовое отверстие для нагружающего винта 8; рукоятку 9, обеспечивающую возможность поворота нагружающего винта; измерительную систему (на фиг.1. условно не показана), включающую тензоусилитель, связанный с тензорезисторами 7, и передающий сигнал на пиковый детектор, связанный с индикатором нагрузки. Геометрия толкателя, имеющего коническую головку, и основы с отверстием выбирается такой, чтобы перемещение толкателя наружу не сопровождалось трением по основе.
Способ реализуется по следующим этапам:
- В нижнюю часть основы ввинчивают распорный винт таким образом, чтобы обеспечить упругую деформацию паза в основе. Прижимают толкатель к основе с помощью гайки. При необходимости производят подготовку основы к нанесению покрытия путем ее шлифования заодно с толкателем. На верхнюю часть основы наносят исследуемое покрытие (фиг.2,а). В качестве толкателя может использоваться стандартный винт с потайной головкой.
- Вывинчивают из основы распорный винт, снимая упругую деформацию с основы. Снимается усилие прижима толкателя к поверхности основы, не оказывая при этом механического воздействия на покрытие. Гайку перемещают по резьбе вниз пока нижние торцы толкателя и гайки не совпадут. Вставляют основу в отверстие плоской пружины, поворачивая рукоятку, подводят нагружающий винт к гайке с толкателем и монотонно увеличивают усилие F (фиг.2,б) до момента отрыва покрытия от основы (фиг.2,в). На фиг.2 плоская пружина, нагружающий винт с рукояткой и измерительная система условно не показаны. Одновременно с приложением усилия фиксируют его величину с помощью измерительной системы. После отрыва покрытия на индикаторе сохраняется показание величины отрывного усилия за счет использования пикового детектора.
2
- Оценивают площадь оторванной части покрытия и рассчитывают прочность сцепления покрытия с основой на отрыв (в МПа) как отношение величины отрывного усилия (в Н) к площади оторванной части (в мм).
Поскольку покрытие при испытаниях отделяется вместе с толкателем, а сам толкатель представляет собой недефицитный, дешевый элемент (винт с потайной головкой), то после испытаний его меняют на новый, а основу используют повторно для дальнейших испытаний.
Пример
Для испытаний изготовили заявленное устройство с основой из стали ЗОХГСН2А. В качестве толкателя брали винт МЗ с потайной головкой. Плоскую пружину изготовили из пружинно-рессорной стали 65Г из полосы толщиной 4 мм, на которую наклеили тензорезисторы, соединенные по полумостовой схеме. Для индикации отрывного усилия использовали стрелочный вольтметр.
Производили оценку прочности сцепления детонационного покрытия ВК-12 с основой. С помощью распорного винта упруго деформировали паз в основе, затем зафиксировали толкатель с помощью гайки. После этого верхнюю часть образца шлифовали таким образом, чтобы головка толкателя и верхняя поверхность основы располагались на одной плоскости без кольцевого зазора между ними.
На подготовленную основу нанесли покрытие ВК-12 толщиной 0,5 мм. Вывинтили распорный винт из основы, при этом между гайкой и нижней частью основы появился зазор, позволивший вывинтить гайку без значительных усилий. Вставили основу в отверстие плоской пружины и нагружали нижнюю часть толкателя монотонно возрастающей силой до отрыва покрытия от основы. При этом покрытие отделилось от основы вместе с толкателем. Прочность сцепления покрытия (в МПа) с основой на отрыв определяли как отношение критической нагрузки к площади отрыва покрытия путем усреднения пятикратно произведенных замеров. Испытания показали, что адгезионная прочность исследованных покрытий на отрыв составила 15±2 МПа.
На фиг.1 показана схема устройства для определения прочности сцепления покрытия с основой.
На фиг.2 представлены схематичные виды устройства при проведении испытаний по определению прочности сцепления покрытия с основой на отрыв: а - вид устройства при нанесении покрытия; б - вид устройства перед испытаниями на отрыв покрытия; в - вид устройства после проведения испытания на отрыв покрытия.
Литература
1. Патент РФ №2419084. Способ определения прочности сцепления покрытия с подложкой и устройство для его осуществления / Ненашев М.В., Ибатуллин И.Д., Тюрнина ТА., Балашов Е.С., Якунин К.П., Кобякина О.А. Опубл. 20.01.2011 г., бюл. №2.
2. Патент РФ №2294531. Способ определения прочности сцепления покрытия с подложкой и устройство для его осуществления / Кусков В.Н., Денисов П.Ю., Ковенский И.М., Моргун И.Д. Опубл. 27.02.2007 г., бюл. №6.
3. А.с. №1809370. Образец для определения прочности сцепления покрытия с подложкой / Тимашев С.А., Фоминых В.В., Фоминых Е.В., Филимонов Б.В. Опубл. 15.04.1993 г.