РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОКРЫТИИ И ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ И ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ НАПЫЛЕННЫХ
ПОКРЫТИЙ
В предыдущем разделе показано влияние напряжений на прочность сцепления и качество покрытий. В ряде работ [16, 24, 25, 50, 57] выведены расчетные схемы определения остаточных напряжений в газотермических покрытиях. Полученные результаты при использовании данных видов расчетов носят в себе относительную погрешность т.к. в них коэффициент модуля упругости покрытия принимался равным единице.
В разделе рассмотрены разработанные методики определения остаточных напряжений в покрытии с уточненным значением модуля упругости металла напыленного слоя. Рассмотрены существующие методики определения прочности сцепления покрытия с основой и предложена усовершенствованная автором. Разработанные методики позволяют более точно определить величину напряжений в газотермическом покрытии (за счет снижения погрешности расчета при введении уточненных величин модуля упругости) и более всесторонне оценить прочностные свойства переходного слоя.
2.1. Определение модуля упругости напыленных покрытий
Известны различные приемы определения модуля упругости в покрытиях [104], однако они требуют достаточно сложной аппаратуры и высокой точности изготовления образцов.
Нами разработан достаточно простой и надежный способ оценки величины модуля упругости [105 - 107], основанный на измерении величины удлинения исходного и напыленного образцов при растяжении силой заданной величины.
В напыленном образце (детали) устанавливается поле остаточных напряжений, интенсивность и характер которого зависит от соотношения коэффициентов линейного расширения покрытия и основы, конфигурации и жесткости напыляемой детали и др. факторов. В общем случае напряженное состояние покрытия будет плоским, а соотношение компонентов будет зависеть от геометрии детали. Для плоских деталей, длина которых значительно больше других размеров, остаточные напряжения , направленные по продольной оси, будут значительно больше поперечных напряжений , поэтому последними можно пренебречь (рис. 2.1.б). Напыление производится на плоские поверхности с двух сторон.
Для определения модуля упругости напыленного слоя были изготовлены образцы прямоугольного сечения (мм), длиной 500 мм (рис.2.1.а) - материал Ст. 3 (образцы приняты плоские для упрощения эксперимента). После изготовления образцы прошли высокий отпуск (нагрев до 520 ?С, выдержка 1час) с целью устранения технологических напряжений и наклепа.
Метод подготовки поверхности под напыление - пескоструйная обработка (непосредственно перед напылением).
Для установки образцов под напыление разработана схема измерений позволяющая жестко закрепить их перпендикулярно по отношению к напыляющему газовоздушному потоку на требуемом расстоянии. Во избежании налипанию металлизационных частиц на участки образца, за которые он будет крепиться в установке для испытаний, эти участки предварительно накрываются медными пластинами. Покрытия наносились на промышленной установке электродуговым металлизатором ЭМ-17. Режимы горения дуги были выбраны оптимальными по каждому типу напыляемого материала, согласно паспортных данных металлизатора ЭМ-17 и анализа режимов напыления деталей проведенных на кафедре ''ОиТСП'' ПГТУ г. Мариуполя.
В целях уменьшения деформаций изгиба образцов при напылении, слои наносились поочередно на плоские поверхности образца. Количество наносимых слоев составило 8...10 на каждую сторону в зависимости от вида наносимого материала. Были исследованы четыре вида покрытий (наиболее используемых в практике электрометаллизации) с различными функциональными, пластическими и физико-химическими свойствами:
1. Износостойкие (порошковая проволока ПП-ММ-1);
2. Коррозионностойкие (проволока 06Х19Н9Т);
3. Для восстановления размеров (проволока Св-08Г2С);
4. Бронзовые (проволока Бр.АМц-9).
Учитывая неравномерность наложения слоев по толщине и требуемую точность измерений, поверхности покрытия шлифовались в один размер. Для повышения точности измерения толщина напыленного слоя ?н после шлифовки составляла 2 мм (на каждой стороне) при толщине образца ?о = 5 мм. Общий вид образцов после напыления и шлифовки приведены на рис. 2.1.в.
В результате напыления в образце наводятся остаточные напряжения, упрощенная эпюра которых представлена на рис. 2.1,б. Продольные остаточные напряжения в покрытии будут растягивающие, а в основном металле (основе) - сжимающими. Величина напряжений часто достигает значений условного предела текучести материала слоя.
При растяжении образца с остаточными напряжениями происходит суммирование остаточных и рабочих напряжений, а вид диаграммы растяжения может быть представлен по схеме рис. 2.2.
Видно, что при первом нагружении напыленного образца начальной силой РН, напряжения в слое достигают величины превышающие остаточные напряжения . Уровень напряжений выбирается заведомо больше предела упругости металла покрытия. При снятии нагрузки и повторном нагружении той же или меньшей силой металл покрытия и образца работают упруго.
Техника определения модуля упругости состоит из двух этапов. На первом этапе определяется модуль упругости основного металла (основы) Е2 путем растяжения образца без напыления заданной силой Рз.
(2.1)
где l0 - длина рабочей части образца на которой измеряется удлинение ?l2;
F2 - площадь поперечного сечения образца.
На втором этапе проводятся испытания на растяжение напыленного образца той же силой Pз.
Эта сила воспринимается как образцом (P2), так и напыленным слоем (P1), т.е.
. (2.2)
Под действием силы Рз образец, вместе с напыленным слоем получит удлинение ?l1. Тогда составляющие силы Рз найдем по зависимостям: