Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ВАК 05.02.2010 Сварка, родственные процессы и технологии
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.09 Машиностроительные материалы
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Представлены фотографии микроструктур покрытий, полученных методом газодинамического напыления. Предложен метод исследования плотности и пористости покрытий из керамополимеров и композиционных материалов на основе карбонитрида титана. Разработана методика определения плотности и прочности методом гидростатического взвешивания применительно к покрытиям на основе карбонитрида титана. Объект разработки – квазикристаллы на основе карбонитрида титана, плакированного никелем. Новизна и актуальность данной работы созданы на основе полимерных антифрикционных материалов, предназначенных для работы в режиме гидродинамического трения. По оптимальному технологическому режиму изготовлены образцы и исследованы их пористость и плотность.
квазикристаллы, покрытия, плотность, пористость
Введение
В трибологии и материаловедении антифрикционных композитов можно выделить ряд проблем, отражающих современные тенденции в этой области знаний, решение которых необходимо для обеспечения научного и технического прогресса. Наибольшие усилия разработчиков сосредоточены на создании полимерных антифрикционных материалов, предназначенных для работы в режиме гидродинамического трения. Подшипники качения и скольжения с антифрикционными покрытиями являются наиболее эффективными конструкциями, позволяющими существенно повысить мощность и надежность работы фрикционных узлов машин [1,2,3,4].
Основными техническими преимуществами при работе в среде масла антифрикционных материалов на основе металлополимеров, керамополимеров и композиционных материалов является меньшая разность между статическим и динамическим коэффициентами трения, что существенно улучшает динамику переходных процессов в машинах, а также бесшумность работы и малый удельный вес [5,6,7].
Важнейшими физическими свойствами материала покрытия являются: ко
эффициент теплопроводности, интегральный коэффициент черноты, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), плотность и порис
тость. При необходимости определяют коэффициенты теплоемкости, электро
проводности, спектральной черноты и др.
Физические свойства материала покрытий − свойства, определяемые в ус
ловиях, исключающих приложение силы.
Механические свойства материала покрытий определяются в результате
приложения нагрузки к покрытию. Определяют прочность сцепления покры
тия с подложкой, прочность и пластичность материала покрытия, а также твер
дость покрытия [8].
Составы и структура покрытий из композиционных материалов на основе карбонитрида титана
В качестве рабочего слоя покрытия применяется карбонитрид титана, плакированный никелем 35% по массе КНТП35 (рис. 1). Для плакирования порошка карбонитрида титана размером 15-30 мкм никелем был выбран химический способ плакирования [9].
В результате ранее проведенных работ был определен оптимальный состав покрытия и разработана технология его нанесения на детонационной установке АДУ «Обь».
На отпескоструенную активированную поверхность пластины не более чем через сутки напылялся подслой ВН20 толщиной
Далее приведены фотографии микроструктуры покрытия из ВН20 и КНТП35 толщиной 0,07 мм, основной слой покрытия КНТП35 толщиной 0,4...0,55 мм (рис. 2,3,4,5) [10].
Из микрофотографий видно, что по мере продвижения от основы к несущему слою покрытия изменяется состав и микроструктура покрытия [2].
То есть мы целеноправленно задаем и функцианализируем свойства покрытия, в зависимости от возлагаемых на него задач и условий работы.
У основы покрытие обладает крупнозернистой структурой из ВН20, которая за счет своего состава и крупного зерна обладает максимальными параметрами статической прочности (на изгиб, отрыв, адгезию).
По мере продвижения от слоя граничного с основой к рабочему слою покрытия мы наблюдаем уменьшение зерна структуры (от 100 до 15 мкм) и постепенное изменение состава, увеличение микротвердости.
В результате несущий слой покрытия КНТП35 за счет мелкозернистой структуры и состава обладает максимальными параметрами длительной прочности. Его характеризуют повышенная стойкость к термоудару, прихватыванию, выкрашиванию, более высокая ударная вязкость и износостойкость[3].
Рис. 1. Частицы порошка карбонитрида титана,
плакированные никелем 35% по массе
|
|
|
|
Рис. 2. Покрытие КНТП35 с подслоем ВН20 и переходным слоем на стальной пластине, увеличение 200 |
Рис. 3. Подслой ВН20 на стальной пластине, увеличение 500
|
|
|
|
|
Рис. 4. Переходный слой ВН20+КНТП35 на подслое ВН20, увеличение 1000 |
Рис. 5. Несущий слой КНТП35, увеличение 1500 |
Методика определения плотности и пористости покрытий
Метод основан на ОСТ1 90371 — 87,
разработанном В.М. Рогожиным, и устанавливает порядок проведения
работы по определению плотности и пористости газотермических покрытий
гидростатическим взвешиванием. Жидкость не должна растворять покрытие
и подложку [11].
Образец представляет собой тело простой формы (диск, квадрат, кольцо)
толщиной
1-
и меньшую массу, что имеет важное значение при взвешивании: с увеличением
доли покрытия в общей массе образца с покрытием увеличивается точность
определения. Сохранение формы тонких образцов требует дополнительного
интенсивного охлаждения, что усложняет процесс напыления, а главное, приводит к нарушению условий напыления: если реальная деталь толстостенная -
для напыления на нее не требуется дополнительного охлаждения. Толщина по
крытия выбирается в пределах 50 - 5000 мкм. Покрытие должно быть сплошным, то есть покрывать всю рабочую поверхность образца равномерным слоем без пропусков.
Образцы до начала испытаний следует хранить при относительной
влажности, не превышающей 60 %, в условиях, исключающих попадание на
них масла, пыли, влаги и др. Испытания образцов проводятся при температуре
18 - 25 ºС.
Для достоверного определения искомых параметров достаточно одного об
разца. Поскольку технология нанесения газотермических покрытий имеет не
которую нестабильность, следует в одних и тех же условиях изготавливать по
3 образца и оценивать данные по плотности и пористости как среднее арифме
тическое.
В табл. 1 представлены характеристики, получаемые путем взвешивания
(единица измерения - грамм).
Таблица 1
Характеристики, получаемые в результате взвешивания
|
Определяемая характеристика |
Обозначение |
|
Масса опескоструенной подложки на воздухе |
m1 |
|
Масса образца (с покрытием) на воздухе |
m2 |
|
Масса нити подвеса (корзинки) на воздухе |
m3 |
|
Масса опескоструенной подложки в воде |
m4 |
|
Масса образца (с покрытием) в воде |
m5 |
|
Масса нити подвеса: в воде + на воздухе (верхняя часть) |
m6 |
|
Масса мокрого образца (с покрытием) на воздухе |
m7 |
|
Масса (на воздухе) опескоструенной подложки + нити подвеса |
m8 |
|
Масса (на воздухе) образца с покрытием + нити подвеса |
m9 |
|
Масса опескоструенной подложки в воде + нити подвеса (часть на воздухе) |
m10 |
|
Масса образца с покрытием в воде + нити подвеса (часть на воздухе) |
m11 |
|
Масса (на воздухе) мокрого образца+ нити подвеса |
m12 |
; 
; 
; 
; 
;
- масса покрытия на воздухе;
- объем опескоструенной подложки;
- плотность подложки;
- масса воды в порах;
- объем пор;
- объем образца с покрытием;
- объем покрытия;
- пористость покрытия;
- плотность покрытия.
Истинную плотность материала покрытия определяют путем отделения по
крытия от подложки и измельчения покрытия до величины частиц - 1 мкм. За
тем по ГОСТ2211-80 пикнометрическим анализом определяется истинная
плотность материала покрытия (без учета пористости) — Yп.и
Общую пористость Побщ определяют из выражения:
Для проведения испытания используются: аналитические весы с точно
стью измерения до 10-4г; вакуумная установка для пропитки образцов (рис. 6);
секундомер «Полет» с точностью измерения до 1 с; стакан стеклянный емкостью не ме
нее 200 мл; медная проволока (нить подвеса) диаметром
120 -
вода дистиллированная (ГОСТ6709-77); спирт этиловый (ГОСТ18300-72).
Для определения массы m, взвешивают подложку (образец без покрытия),
подготовленную к напылению. После нанесения покрытия взвешивают обра
зец для определения массы m2. Затем определяют массу m3 взвешиванием
медной проволоки (нити подвеса).
Воду для пропитки образцов подвергают предварительному кипячению
в течение 2 ч. Пропитку образца водой проводят с помощью вакуумной уста
новки (рис. 6), и определяют массы m4 и m5. Вакуумные краны 5, 3, 4
ставят в положение «закрыто»; образец 12 с нитью подвеса 13 опускают в сухой
чистый стакан 11; снимают вакуумный стеклянный колпак 8 и устанавливают
стакан с образцом на тарелку 6 под трубкой 10; устанавливают колпак 8 на уп
лотнительное кольцо 7 и включают вакуумный насос 1; открывают вакуумный
кран 4; при достижении давления под колпаком величины 10-
(13,3 Па) — контролируется по образцовому вакууметру 2 — отключают ваку
умный насос; при закрытом кране 5 наливают в сосуд 9 дистиллированную во
ду; плавно открывая кран 5, заполняют стакан 11 водой из сосуда 9 так, чтобы
при взвешивании образец был погружен в воду полностью, а нить подвеса при
мерно на ½ своей длины; закрывают кран 5, выдерживают 2 мин; открывают
кран 3, выравнивают давление под колпаком с атмосферным; снимают колпак
8; переносят стакан с образцом на подставку 14 весов 16; взвешивают в воде об
разец с нитью подвеса для определения массы m4; извлекают образец из воды,
освобождают его от нити подвеса. Тканью, смоченной в спирте, протирают по
верхности образца, свободные от покрытия, удаляя с них воду (лоскут х/б тка
ни размером 250 - 300 см2 смачивается 1,2 - 1,5г спирта); фильтровальной бу
магой, смоченной водой, аккуратно, не удаляя воду из открытых пор, промокают поверхность напыленного покрытия. В момент окончания этой операции
включают секундомер; через контролируемые постоянные промежутки време
ни (30 - 60с) проводят 3 - 4 взвешивания образца, насыщенного водой, и стро
ят зависимость (рис. 7) его массы от времени 
; истинный вес пропи
танного водой и взвешенного на воздухе образца m7определяют экстраполяцией линейной зависимости
на ось ординат.
Рис. 6. Схема вакуумной установки для пропитки образцов водой
Рис. 7. Экстраполяция m7 на нулевую отметку времени
Выводы:
- В работе предложен химический способ получения рабочего слоя покрытия на основе карбонитрида титана, плакированного никилем.
- В результате нанесения покрытий было установлено, что у основы покрытие обладает крупнозернистой структурой, что увеличивает статическую прочность (на изгиб, отрыв, адгезию). По мере продвижения к рабочему слою наблюдается уменьшение зернистости структуры и постепенное изменение состава, что приводит к увеличению микротвердости.
- Использована методика определения плотности и пористости применительно к покрытиям.
1. Низовцев В.Е., Сильченко О.Б., Силуянова М.В. [и др.]. Некоторые оценки напряженно-деформированного состояния керамических композиционных материалов с учетом технологических пор // Вестник Брянского государственного технического университета. 2018. № 5. С. 52-63.
2. Сильченко О.Б., Силуянова М.В., Низовцев В.Е., Климов Д.А., Корнилов А.А. О перспективах применения наноструктурных гетерофазных полифункциональных композиционных материалов в авиадвигателестроении // Вопросы материаловедения. 2018. №1. С. 50-57.
3. Захаров Б.М., Трофимов М.Г., Гусева Л.И. [и др.]. О прочности сцепления покры¬тий, наносимых методом плазменного напыления // Порошковая металлургия. 1970. №11. С. 71-76.
4. Гинзбург Е.Г., Кобяков О.С., Розанцев В.А. Формирование контактной зоны покрытие подложка при газотермическом напылении // Порошковая металлургия. 1986. №10. С.47-50.
5. Морозов В.И., Гордеева Л.Т. [и др.]. Технология напыления детонационных покрытий на основе оксида циркония, их свойства и применение: тезисы докл. 10 Всесоюзного совещания «Теория и практика газотермического нанесения покрытий». Дмитров. 1985. С. 37-39.
6. Харламов Ю.А. Классификация видов взаимодействия частиц порошка с подложкой при нанесении покрытий // Порошковая металлургия. 1988. №1. С.18-22.
7. Федоренко В.К., Иващенко Р.К., Кадыров В.Х. [и др.]. Влияние структурного фактора порошковых материалов на прочностные и пластические свойства детонационных покрытий типа ВК // Порошковая металлургия. 1991. №11. С. 24-30.
8. Балдаев Л.Х., Буткевич М.Н., Хамицев Б.Г. Технологии детонационного напыления в городском и жилищно-коммунальном хозяйстве // Инновационные процессы в регионах России: материалы Всерос. науч.-практ. конф. Волгоград: Изд-во ВолГУ. 2005. С.119-129.
9. Абузин Ю.А., Юдин А.С. Исследование особенностей квазикристаллов при создании материалов для космоса, авиации, моторостроения и других отраслей народного хозяйства // ФГУП «ВИАМ»: сб. докл. первого Всерос. совещания по квазикристаллам. 2003. С 112-119.
10. Рыбин А.С., Улин И.В., Фармаковский Б.Ф. [и др.]. Изучение возможности практического использования квазикристаллов в качестве функциональных покрытий // ФГУП ЦНИИКМ «Прометей»: сб. докл. первого Всерос. совещания по квазикристаллам. 2003. С. 98-107.
11. ОСТ 1.90371.87. Покрытия газотермические. Методы испытания физических свойств //Определение плотности и пористости. М.: ВИАМ, 1987.
