УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДГЕЗИОННОЙ И КОГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОБРАЗЦАХ
DEVICE FOR DETERMINING ADHESIVE AND COHESIVE STRENGTH OF GAS THERMAL COATINGS ON SAMPLES

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для определения адгезионной и когезионной прочности сцепления в продольных слоях газотермических покрытий, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в том числе при отработке оптимальных технологических режимов упрочнения и восстановления рабочей поверхности деталей автотранспортной техники: коленчатые валы (шейки опорные, шатунные), распределительные валы (шейки опорные, кулачки), поршневые кольца, толкатели, клапаны, вкладыши, коромысла, рычаги, вилки и др.
Известны технические решения, предназначенные для определения прочности сцепления газотермических покрытий на образцах (а.с. СССР №1352325, 1635080, МПК: G01N 19/04). В справочнике «Газотермические покрытия из порошковых материалов» под ред. Ю.С.Борисова, Ю.А.Харламова, С.Л.Сидоренко, Е.Н.Ардатовской (Киев: Наукова думка, 1987, с.119, 124, 127) представлены 72 способа определения прочности сцепления газотермических покрытий на образцах, в том числе на отрыв (33), на сдвиг (27) и механические испытания (12).
Анализ известных технических решений не выявил решений, позволяющих определять как адгезионную, так и когезионную прочность газотермических покрытий.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является образец для определения прочности сцепления газотермических покрытий с основным материалом (а.с. СССР №1499151, МПК: G01N 19/04, G01N 1/28).
Однако данное техническое решение не позволяет определять когезионную прочность газотермических покрытий на образцах. Прототип можно усовершенствовать, чтобы определять на нем как адгезионную, так и когезионную прочность газотермических покрытий на образцах, обеспечив при этом высокую точность измерений.
Задачей изобретения является расширение диапазона контроля прочности адгезионной и когезионной связи в продольных слоях газотермических покрытий, при этом контроль адгезионной и когезионной связи осуществляется на одной и той же конструкции устройства с возможностью одновременного контроля на нескольких образцах.
ц
ц
ц
к
ц
к
ц-
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для определения прочности сцепления газотермических покрытий, содержащем подложку, выполненную разъемной из двух частей, и размещенное между ними покрытие, причем одна часть выполнена в виде обоймы с отверстием в форме усеченного конуса и сопряженного с его меньшим основанием цилиндра диаметром D, другая - в виде штифта, установленного в цилиндрической части отверстия, а покрытие размещено как в конической части, так и на торцевой рабочей поверхности штифта, при этом торец обоймы со стороны большего диаметра усеченного конуса выполнен коническим и образует вместе с поверхностью усеченного конуса кольцевой выступ треугольного профиля, на котором также оседает покрытие, а высота Н усеченного конуса и диаметр D штифта выбраны из условия 2Н>D, при этом номинальный диаметр штифта и цилиндра совпадают, согласно предлагаемому техническому решению, обойма через резьбовое соединение установлена в кассете, при этом кассета через съемные стойки закреплена на основании, расположенном параллельно кассете, в котором соосно обойме установлен винт регулировочный с возможностью осевого перемещения, содержащий наружную сферическую поверхность, через которую он воздействует на нижнюю поверхность штифта, меняя при этом Н - величину заглубления рабочей поверхности штифта в цилиндрической части обоймы и фиксируя положение рабочей поверхности штифта относительно нижнего (малого) отверстия усеченного конуса обоймы, при этом при нулевом заглублении рабочей поверхности штифта, т.е. Н=0, определяют адгезионную связь покрытия с подложкой, а при Н>0 определяют когезионную связь в продольных слоях покрытия, при этом при определении когезионной связи в покрытии штифт устанавливают с заглублением в цилиндрической части, выдерживая соотношение Н>Н, где Н - высота слоя покрытия в конической части обоймы, мм; Н - высота слоя покрытия в цилиндрической части обоймы, мм.
Кассета выполнена в виде планки или диска, в которых установлены обоймы со штифтами в ряд или по концентрическим окружностям, соответственно.
Угол конической части обоймы β может принимать значения: 30°≤β≤120°.
Рабочая поверхность штифта выполнена плоской, сферической или цилиндрической (выпуклой или вогнутой), гладкой или шероховатой.
z
При необходимости рабочей поверхности штифта придают шероховатость, например, R≈50 мкм.
Высокий эффект от использования устройства достигается за счет следующих факторов:
- возможность одновременного напыления покрытия на несколько образцов (штифтов) одинаковой или разной толщины при одних и тех же технологических режимах, что безусловно позволит сократить время испытаний, выявить оптимальные технологические режимы напыления и установить допустимую величину напыляемого слоя покрытия;
- сокращение времени испытаний за счет наличия нескольких обойм с образцами в кассете;
- возможность предельно точно фиксировать положение напыляемой рабочей поверхности штифта в цилиндре за счет наличия винта регулировочного, что весьма существенно при отработке технологии напыления покрытия;
- наличие кольцевого выступа треугольного профиля на верхней торцевой поверхности обоймы, на котором оседает покрытие, исключает самопроизвольный отрыв покрытия от стенок усеченного конуса при его термической усадке во время охлаждения, что также является существенным условием гарантированного разрушения газотермического покрытия как в адгезионном слое, так и в когезионных слоях.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема заявляемого устройства для определения адгезионной и когезионной прочности газотермических покрытий.
ц
ц
ц
ц
Устройство содержит обойму 1 с осевым отверстием, имеющим форму усеченного конуса 2 и сопряженного с его меньшим основанием цилиндра 3, цилиндрический штифт (образец) 4 с рабочей поверхностью 5 (плоской, сферической или цилиндрической), установленный в цилиндрической части 3 отверстия обоймы 1, при этом штифт в нижней части содержит отверстие для его захвата при произведении отрыва на разрывном устройстве (машине, динамометре), причем штифт 4 установлен так, что его рабочая поверхность 5 может принимать положение из условия Н≥0, где Н - величина заглубления рабочей поверхности штифта в цилиндрической части обоймы. Для Н=0 определяют адгезионную связь газотермического покрытия, для Н>0 определяют когезионную связь газотермического покрытия. Обойма 1 через резьбовое соединение установлена в кассете 6, которая закреплена через съемные стойки 7 на основании 8, параллельном кассете 6, в котором соосно обойме 1 установлен винт регулировочный 9 с возможностью осевого перемещения, который имеет наружную сферическую рабочую поверхность 10. Кассета 6 может быть выполнена в виде планки, на которой обоймы 1 установлены в ряд, либо плоской дисковой, на которой обоймы 1 установлены по концентрическим окружностям (не показано). Рабочая поверхность 5 штифта 4 может быть выполнена плоской, сферической (выпуклой, вогнутой) или цилиндрической (выпуклой, вогнутой). На основании 8 кассета 6 закреплена съемными винтами 11. Газотермическое покрытие 12 оседает на конической поверхности 2 обоймы 1 и рабочей поверхности 5 штифта 4, а также на кольцевом выступе треугольной формы 13, имеющемся на верхнем торце обоймы 1. Основание 8 в нижней части содержит полость 14 (для облегчения и устойчивости конструкции). Стрелками на чертеже показано перемещение винта регулировочного 9 и штифта (образца) 4 вдоль их общей оси. Высота Н усеченного конуса и диаметр D штифта выбраны из условия 2Н>D, при этом номинальный диаметр штифта и цилиндра совпадают.
Предлагаемая конструкция устройства для определения адгезионной и когезионной прочности газотермических покрытий раскрыта с полнотой, достаточной для осуществления.
Изображенное на чертеже устройство может послужить примером конкретного исполнения, если принять диаметр цилиндрического отверстия в обойме равным 3 мм, угол конуса в обойме 90°, радиус сферы винта регулировочного 15 мм, количество обойм в кассете 5. Остальные размеры, в том числе геометрию штифта, выбирают с учетом целесообразности.
Образец изготавливают и испытывают следующим образом.
z
ц
ц
к
ц
к
ц-
ц
ц
Цилиндрический штифт 4 изготавливают из испытуемого материала, например, из стали 65Г. Рабочую 5 и боковую поверхность штифта 4, а также внутреннюю поверхность обоймы 1 тщательно обезжиривают и обезвоживают. При необходимости, рабочей поверхности штифта придают шероховатость известным способом (R≈30 мкм). Устанавливают штифт 4 в обойму 1. Обойму 1 устанавливают в кассете 6 вместе со штифтом 4 и закрепляют через стойки 7 на основании 8. Регулировочным винтом 9 устанавливают заданный размер Н из условия Н≥0, при этом при определении когезионной связи в покрытии штифт устанавливают с заглублением в цилиндрической части, выдерживая соотношение Н>Н, где Н - высота слоя покрытия в конической части обоймы, мм; Н - высота слоя покрытия в цилиндрической части обоймы, мм. Для определения адгезионной связи покрытия, Н=0. Для определения когезионной связи покрытия, Н>0.
2
Производят напыление покрытия на рабочую поверхность 5 штифта 4 в соответствии с принятым технологическим режимом и величиной слоя покрытия. Например, напыляют термореагирующий порошок химической системы Ni-Al грануляции 0,04…0,10 мм плакированной конструкции: алюминиевое ядро в никелевой оболочке. Толщина (высота) покрытия задается в технологической документации. Открытую поверхность кассеты 6 защищают, например, кожухом или другим способом. Путем отвинчивания замков-винтов 11 кассету 6 с обоймой/обоймами 1 отделяют от основания 8. При необходимости отделяют обойму 1 с образцом 4 от кассеты 6. Производят термообработку газотермического покрытия по заданной технологии. Отрыв штифта от газотермического покрытия производят известным способом на разрывной машине или динамометре. По величине отрывного усилия рассчитывают прочность сцепления газотермического покрытия по известным формулам, например, σ=P/F (МПа), где Р - усилие, Н; F - площадь сечения, м.
Устройство было изготовлено и применялось при отработке оптимальных режимов газотермического напыления в технологии упрочнения и восстановления рабочей поверхности деталей двигателей внутреннего сгорания, в том числе ГАЗ-24, ГАЗ-53, КамАЗ.