Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ВАК 05.02.2008 Технология машиностроения
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Предложен метод исследования прочности покрытий по штифтовому и клеевому методу из композиционных материалов на основе карбонитрида титана.
квазикристаллы, покрытия, прочность сцепления
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.
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.
Энергия торможения высоко нагруженных систем выделяется в зоне трения и преобразуется в тепловую энергию и энергию разрушения поверхности. В связи с этим антифрикционные материалы должны удовлетворять следующим требованием: иметь высокий коэффициент теплопроводности, низкий коэффициент трения, стабильный до температуры 450-500 ºС, низкие параметры по износу, высокие упругие и прочностные характеристики.
Для эксплуатации узлов трения при температурах до 500 ºС в полной мере удовлетворяют керамические и композиционные материалы на основе карбида кремния и карбонитрида титана, исследования по определению прочностных свойств которых проведены в данной работе.
В ходе работы были разработаны составы покрытий, армированных квазикристаллами, определен оптимальный состав и режимы нанесения покрытия методом холодного газодинамического напыления.
По оптимальному режиму изготовлены образцы и исследованы их механические и трибологические свойства.
Разработка состава и режимов нанесения покрытия методом холодного газодинамического напыления
Нанесение покрытия производилось с использованием метода холодного газодинамического напыления. Отработка режимов нанесения составов порошковых материалов производилась на плоских образцах размерами 90х20х2 мм. Рабочая поверхность образцов подвергалась перед напылением шлифованию, затем струйно-абразивной обработке. Нанесение покрытия проводилось на установке «Димет-403», использующей в качестве рабочего тела воздух. Скорость газопорошковой смеси на срезе сопла находится в пределах 650-850 м/с. Температура торможения сверхзвуковой струи варьировалась в пределах от 150 до 350 ºС.
Покрытие наносилось в защитной камере использовании системы вентиляции с пылеочисткой. Давление воздуха в пневмосистеме устанавливалось во всех случаях равным 0,8 МПа. Благодаря невысокой температуре напыления квазикристаллическая фаза химически не взаимодействует с подложкой, а большая скорость потока обеспечивает наклепывание пластичных частиц и твёрдых частиц квазикристаллов на подложку, образуя прочные связи между компонентами покрытия.
Для приготовления порошковых смесей использовались порошки квазикристаллов карбонитрида титана и никеля 35%, с подслоем ВН20. Порошок квазикристаллов подвергался размолу в планетарной мельнице стеклянными шариками диаметром 2 мм в течение 30 мин, при соотношении мелящих тел (шариков) и порошка 10:1 по весу. Был получен порошок с дисперсностью менее 3 мкм.
Перемешивание порошков проводилось в турбулентном смесителе в течение часа.
Были определены концентрации исходных элементов в зависимости от объёмной доли квазикристаллов.
Опробовано несколько составов порошковых смесей с различным содержанием квазикристаллов, для напыления на установке Димет‑403 определены оптимальные режимы напыления [1,2].
Цель работы – исследование прочностных свойств покрытий из композиционных материалов с квазикристаллами, полученных методом газодинамического напыления.
Объект разработки – квазикристаллы на основе карбонитрида титана, плакированного никелем. В ходе работы предложен метод исследования прочности покрытий по штифтовому и клеевому методу из композиционных материалов на основе карбонитрида титана.
Механические (прочностные) свойства покрытий
Прочность сцепления - одна из главных характеристик покрытия. Прочность сцепления определяют по равномерному отрыву (клеевой и штифтовой методы), по углу загиба образца с покрытием на оправке определенного радиуса, по срезу кругового слоя покрытия с образца при осевой нагрузке, по царапанию и др. Основные методы - это равномерный отрыв по клеевой и штифтовой методике.
Определение прочности сцепления покрытия по штифтовому методу
Сущность метода заключается в определении величины разрушающей нагрузки при вытягивании штифта усилием, направленным по нормали к торцовой плоскости штифта, на которую нанесено покрытие [3, 4, 5, 6, 7].
Величина прочности сцепления определяется как отношение разрушающей нагрузки к площади торцовой поверхности штифта [8,9,10,11].
Размеры образца и захвата (рис. 1, 2, 3) позволяют использовать метод для испытаний при комнатной и высоких температурах на стандартном оборудовании (рис. 4).
Рис. 1. Машина разрывная МР 051
Рис. 2. Штифтовой образец для определения прочности
сцепления покрытия с подложкой:
1 – втулка, 2 – штифт, 3 – винт стопорный, А – поверхность напыления
|
|
|
|
Рис. 3. Фотография штифтового образца в сборе, перед испытанием |
Рис. 4. Фотография штифтового образца подетально перед нанесением покрытия для испытания слева-направо: втулка, штифт, гайка под захват |
Образец состоит из втулки, штифта, гайки (рис. 3) под захват (рис. 4). Коническая поверхность сопряжения деталей по диаметру осуществляется по скользящей посадке. Детали подбираются методом селективной сборки с тем, чтобы гарантированный зазор был минимальным.
Рис. 5. Захват
Сборка образца и захвата (рис. 5) производится непосредственно перед испытанием. Образцы селективной сборки закрепляются в приспособлении (рис. 6). Приспособление устанавливается на магнитный стол плоскошлифовального станка. Проводится шлифование рабочей поверхности образцов, после чего рабочая поверхность подвергается пескоструйной обработке (в сборке с приспособлением), и на нее наносятся покрытия (в приспособлении).
Рис. 6. Приспособление для напыления покрытия на образцы
Не допускается обработка, связанная с диффузионными процессами. Образцы с особой осторожностью освобождаются от приспособления и устанавливаются в захват (рис. 7) для проведения испытания на отрыв.
Образцы имеют одну толщину и одинаковое покрытие.
После проведения испытаний определяется группа образцов одной толщины, и для нее рассчитывается прочность сцепления как среднее арифметическое.
Рис. 7. Сборка захват-образец с покрытием
в разрывной машине
Рис. 8. Характерный вид торца конического
штифта образца после испытания покрытий
из порошков на основе карбонитрида
титана на прочность сцепления с подложкой
Таблица
Данные по испытанию образцов на отрыв
|
№ образца |
σотрыва кг/мм2 |
HV5/15 |
Характер отрыва |
|
1 |
5,5 |
502 |
Когезионный |
|
2 |
7,32 |
466 |
Когезионный |
|
3 |
9,25 |
516 |
Когезионный |
|
4 |
8,15 |
502 |
Когезионный |
|
5 |
13,5 |
532 |
Когезионный |
|
6 |
11,9 |
516 |
Когезионный |
|
7 |
12,1 |
558 |
Когезионный |
Композиционное покрытие показало высокие характеристики на отрыв. Разрушение происходило по промежуточному слою между ВН20 и КНТП35.
Экспресс метод определения прочности сцепления покрытия по углу загиба образца с покрытием на оправке определенного радиуса
Образцы изготовлены в виде стальных пластин размером 70х30 мм, толщиной
Рис. 9. Стальная пластина с покрытием порошка
карбонитрида титана,
плакированным никелем 35%, с подслоем ВН20
Образец зажимается в тиски со стержнем-правкой диаметром
Рис. 10. Стальная пластина с покрытием, зажатая в тисках с оправкой диаметром 10 мм
При помощи специального приспособления, загибаем пластину на 90 градусов
(рис. 11).
Рис. 11. Стальные пластины с покрытием, изогнутые на прямой угол
При изгибе на диаметр
Выводы
1. Композиционное покрытие на основе карбонитрида титана показало высокие характеристики на отрыв. Разрушение происходило по промежуточному слою между ВН20 и КНТП35.
2. При изгибе на диаметре 10 мм сетка мелкая, равномерная. При приложенной ударной нагрузке сколов и отслоений не наблюдается, что позволяет использовать данные покрытия в высоконагруженных деталях.
1. Низовцев, В.Е. Некоторые оценки напряженно-деформированного состояния керамических композиционных материалов с учетом технологических пор / В.Е. Низовцев, О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова [и др.] // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2018. - № 5. - С. 52-63.
2. Сильченко, О.Б. О перспективах применения наноструктурных гетерофазных полифункциональных композиционных материалов в авиадвигателестроении / О.Б. Сильченко, М.В. Силуянова, В.Е. Низовцев, Д.А. Климов, А.А. Корнилов // Вопросы материаловедения.- 2018. - №1. - С. 50-57.
3. Захаров, Б.М. О прочности сцепления покры-тий, наносимых методом плазменного напыления / Б.М. Захаров, М.Г. Трофимов, Л.И. Гусева [и др.] // Порошковая металлургия. - 1970. - №11. - С. 71-76.
4. Гинзбург, Е.Г. Формирование контактной зоны покрытие подложка при газотермическом напылении / Е.Г. Гинзбург, О.С. Кобяков, В.А. Розанцев // Порошковая металлургия. - 1986. - №10. - С. 47-50.
5. Морозов, В.И. Технология напыления детонационных покрытий на основе оксида циркония, их свойства и применение / В.И. Морозов, Л.Т. Гордеева [и др.] // 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/ Ю.А. Харламов // Порошковая металлургия. - 1988. - №1. - С. 18-22.
7. Федоренк, В.К. Влияние структурного фактора порошковых материалов на прочностные и пластические свойства детонационных покрытий типа ВК / В.К. Федоренко, Р.К. Иващенко, В.Х. Кадыров [и др.] // Порошковая металлургия. - 1991. - №11. - С. 24-30.
8. Балдаев, Л.Х. Технологии детонационного напыления в городском и жилищно-коммунальном хозяйстве. Инновационные процессы в регионах России / Л.Х. Балдаев, М.Н. Буткевич, Б.Г. Хамицев: материалы Всерос. науч,-практ. конф. - Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2005. - С. 119-129.
9. Абузин, Ю.А. Исследование особенностей квазикристаллов при создании материалов для космоса, авиации, моторостроения и других отраслей народного хозяйства / Ю.А. Абузин, А.С. Юдин: сб. докл. 1 Всерос. совещания по квазикристаллам. - ФГУП «ВИАМ», 2003. - С 112-119.
10. Рыбин, А.С. Изучение возможности практического использования квазикристаллов в качестве функциональных покрыти / А.С. Рыбин, И.В. Улин, Б.Ф. Фармаковский [и др.]: сб. докл. 1 Всерос. совещания по квазикристаллам. - ФГУП ЦНИИКМ «Прометей, 2003. - С. 98-107.
11. ОСТ 1.90371.87. Покрытия газотермические. Методы испытания физических свойств // Определение плотности и пористости. - М.: ВИАМ, 1987.
