Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и прикладные аспекты упрочнения газотермических покрытий методами термодиффузионного насыщения 9
1.1. Современные представления о механизме связи напыленного покрытия с основным материалом 9
1.2. Теоретические основы формирования износостойких покрытий повышенной прочности сцепления 13
1.3. Химико-термическая обработка газо-термических покрытий на железной основе. -... концепция создания высокопрочных композиционных покрытий 20
1.4. Метод расчета равновесного состава многокомпонентных гетерофазных систем 30
Глава 2. Исследования структуры, фазового состава и кинетики роста диффузионного слоя композиционных покрытий . 37
2.1. Выбор метода насыщения и состава порошковых сред 37
2.2. Исследование структуры и фазового состава борированных ГТНпокрытий 40
2.3. Механизм формирования боридного слоя 47
2.4. Оптимизация толщины диффузионных слоев 65
Глава 3. Исследование эксплуатационных свойств композицион ных покрытий 72
3.1. Исследования прочности сцепления композиционных покрытий с основным металлом 72
3.2. Исследования износостойкости упрочненных покрытий при различных схемах изнашивания 79
Исследование структуры покрытий, подверженных изнашиванию 97
Исследование жаростойкости боридного слоя 101
Расчет теплофизических свойств напыленных покрытий упрочненных бором 105
Выводы 109
Литература
- Теоретические основы формирования износостойких покрытий повышенной прочности сцепления
- Химико-термическая обработка газо-термических покрытий на железной основе. -... концепция создания высокопрочных композиционных покрытий
- Механизм формирования боридного слоя
- Исследования износостойкости упрочненных покрытий при различных схемах изнашивания
Введение к работе
Проблемы надежности и долговечности деталей машин и механизмов могут быть успешно решены путем создания новых высокоэффективных технологических процессов и композиционных материалов. Наиболее универсальным способом изготовления композиционных материалов является способ нанесения покрытий. Нанесение покрытий означает не просто повышение или улучшение эксплуатационных характеристик изделия, а создание, по существу, принципиально новой композиции, обладающей не суммой характеристик материалов основы и покрытия, а качественно иными свойствами, которые позволяют изменить конструкцию детали или узла и значительно повысить производительность машин и механизмов при увеличении их надежности. Нанесение покрытий дает возможность наиболее рационально и рентабельно использовать материалы, упростить в ряде случаев технологию изготовления деталей, конструкций и механизмов, заменить дорогостоящие и редкие металлы менее дефицитными материалами без снижения, а в большинстве случаев с повышением их работоспособности.
Нанесение покрытий играет первостепенную роль при восстановлении изношенных деталей и узлов машин. Нанесением покрытия возможно довести изделия до требуемых размеров. Используя для нанесения покрытий материал с высокими требуемыми свойствами, можно значительно увеличить срок службы восстановленной детали по сравнению с новой.
Одним из перспективных методов упрочнения и восстановления деталей машин является метод газо-термического напыления (ГТН) покрытий. Газотермические способы нанесения покрытий обладают высокой производительностью, дают возможность наносить слои из разнообразных материалов и различной толщины с заданными поверхностными свойствами, которые необходимы для развития современного машиностроения, электротехники и электроники, химического машиностроения и других областей новой техники.
Вместе с тем основными сдерживающими факторами, определяющими масштабы внедрения и работоспособность газо-термических покрытий, являются их низкая прочность сцепления с основой, пористость и относительно высокая стоимость напыляемых материалов. Вследствие этого, на практике нашли применение комбинированные способы нанесения покрытий, в частности технология, состоящая из напыления формообразующего покрытия и его последующего термодиффузионного упрочнения в металлотермических порошковых смесях.
Защитные слои, полученные по комбинированной технологии из сплавов на основе железа, обладают гетерогенной структурой, которая оказывает положительное влияние на их триботехнические характеристики, жаро- и коррозионную стойкость. К тому же и механическая обрабатываемость таких покрытий значительно выше, чем у самофлюсующихся и керамических материалов. Поэтому создание новых композиционных материалов с уникальным сочетанием показателей твердости, износостойкости и пластичности с использованием альтернативных методов упрочнения является актуальным.
Однако целенаправленных исследований, посвященных разработке и созданию комбинированных упрочняющих технологий методами газотермического напыления и химико-термической обработки (ХТО), а также изучению влияния последней на прочностные и эксплуатационные свойства рабочих поверхностей не проводились. В связи с этим в настоящей работе рассматриваются вопросы исследования и разработки композиционных покрытий, в частности борированных газо-термических покрытий из низкоуглеродистых сталей, обладающих повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Целью настоящей работы является разработка эффективных комбинированных процессов формирования и упрочнения газо-термических покрытий из композиционных материалов, образующихся при термодиффузионном насыщении напыленных слоев в боросодержащих порошковых смесях.
Для реализации цели поставлены следующие задачи: - обосновать и выбрать методы термодиффузионного насыщения газо- термических покрытий в условиях соблюдения основных требований к показа телям технологичности, экологичности и экономической целесообразности процессов упрочнения и восстановления деталей машин общего машинострои тельного профиля; - установить основные факторы, влияющие на толщину формирующейся диффузионной зоны в зависимости от различного химического состава напы ляемого покрытия и насыщающих сред с оптимизацией величины образующих ся слоев; -установить влияние режимов термодиффузионного насыщения газо-термических покрытий на железной основе, на их структуру и свойства, а также на прочностные характеристики материала подложки; изучить эксплуатационные свойства композиционных покрытий, получаемых по комбинированной технологии и восстанавливаемых изделий; разработать новые композиции газо-термических покрытий и технологические процессы формирования многослойных износостойких покрытий с повышенной прочностью сцепления и внедрить их в производство.
Научная новизна работы состоит в: - разработке высокопрочных композиционных покрытий по комбиниро ванной технологии, включающей газо-термическое напыление и бори- рование покрытий из сплавов на железной основе, в частности низкоуг леродистой стали; выявлении факторов, влияющих на формирование диффузионных слоев композиционного покрытия, определяющих снижение дефектности межфазных границ и активацию процесса химического взаимодействия контактирующих материалов; решении оптимизационной задачи по определению толщины промежуточного слоя многослойного покрытия, влияющего на повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик разработанных покрытий; разработке математической модели теплопередачи в системе «покрытие-подложка» с определением теплофизических свойств бинарной системы.
Практическая значимость работы заключается в разработке новой комбинированной технологии, состоящей из процессов газо-термического напыления формообразующего покрытия и последующей химико-термической обработки в металлотермических порошковых смесях, содержащих соединения бора. При этом, в качестве рабочего слоя используются покрытия из недорогих низкоуглеродистых сталей, что обеспечивает возможность использования разработанной технологии практически во многих отраслях промышленности: машиностроении, металлургии, химическом и ремонтном производстве.
В результате повышения срока службы деталей, экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов суммарный экономический эффект от внедрения выполненных разработок за период 2000-2004 гг. составил 5072 долл. США.
Основные результаты работы и методики исследований внедрены в учебный процесс на Механико-технологическом факультете Таджикского технического Университета по дисциплинам «Технология конструкционных материалов» и «Технология и оборудование для нанесения защитных покрытий».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: - концепция создания высокопрочных композиционных покрытий из низ коуглеродистых сталей, основанная на комбинировании экономичных методов газо-термического напыления и химико-термической обработки в порошковых металлотермических смесях, содержащих соединения бора; механизм формирования боридного слоя на ГТН покрытиях из сплавов на основе железа; расчетный метод оптимизации толщины диффузионных слоев; - методики и результаты экспериментальных исследований прочности сцепления, износостойкости и жаростойкости композиционных покрытий.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы горно-металлургического комплекса Казахстана» (КарГТУ-Караганда, 2003г.); Межвузовской научно-технической конференции «Достижения в области металлургии и машиностроении Республики Таджикистан» (ТТУ-Душанбе, 2004г.); Республиканской научно - практической конференции «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (ТТУ-Душанбе, 2005г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 2 тезиса докладов и 4 научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, трех глав, выводов, списка используемых источников, приложений. Работа изложена на 117 страницах компьютерного набора, включает 22 таблицы, 38 рисунков и 79 наименований библиографических ссылок.
Теоретические основы формирования износостойких покрытий повышенной прочности сцепления
Получение прочного сцепления напыленных покрытий с подложкой является чрезвычайно сложной задачей, так как для протекания процессов адгезионного взаимодействия необходимым условием является наличие физико-химической и механической совместимости компонентов. Кроме того, необходимо учитывать изменения свойств материалов покрытия и подложки в условиях эксплуатации [13,14]. Значительное влияние на прочность сцепления оказывают и остаточные напряжения в покрытиях. Вместе с тем, в настоящее время существует ряд теоретических предпосылок и технологических методов, позволяющих регулировать прочность сцепления.
Анализ литературных данных [1,7,13,16] показывает, что необходимая прочность сцепления должна быть обеспечена на всех стадиях формирования покрытий, начиная с выбора исходных материалов и до обработки деталей с покрытиями. Исходя из этой концепции, ниже предлагается схема, иллюстрирующая основные технологические методы и приемы повышения прочности сцепления покрытий с подложкой (рис. 1.1).
Согласование свойств покрытия с подложкой сводится прежде всего к максимальному сближению средних коэффициентов термического расширения (к.т.р.) покрытия и подложки. При апок аподл результирующие напряжения в покрытии и в подложке стремятся к нулю [9,10]. Чтобы исключить появление напряжений растяжения, на практике стремятся сохранить в небольшой мере неравенство данных коэффициентов. Например, автор работы [7], на основании проведенных экспериментов установил, что, хотя коэффициент а ряда материалов (молибден, нихром) ниже к.т.р. основного металла (например, сталь, алюминий), в покрытиях из них, вместо напряжений сжатия возникают напряжения растяжения. Поэтому при определении величины остаточных напряжений необходимо исследовать влияние технологии и режимов напыления на к.т.р. различных материалов.
Модуль нормальной упругости Ен является параметром, по которому можно судить о таких характеристиках, как прочность, жесткость и термостойкость элементов конструкции. По модулю упругости можно оценить остаточные напряжения, вибропоглащающую способность, усталостную долговечность, а также коэффициент линейного термического расширения.
Снижение модуля упругости покрытий при одних и тех же деформациях приводит к снижению действующих напряжений [13], что отражается на их эксплутационных характеристиках. Поэтому желательно снизить, по возможности, модуль упругости хотя бы одного из соединяемых материалов - Еосн. или
Обычно снижение градиента модулей упругости достигается за счет применения промежуточных слоев, т.е. созданием многослойных покрытий. При этом на первый план выступает дополнительное требование - обеспечение прочного соединения между отдельными слоями покрытия [1,2,3].
Противоположными свойствами (пониженной прочностью) должен обладать поверхностный слой материала основы, процесс активации которого лимитирует скорость взаимодействия напыляемых частиц с подложкой. Снижения энергии связи атомов в поверхностных слоях подложки можно достичь, в частности, предварительным нанесением легкоплавких подслоев [1, 20]. Легкоплавкие подслои позволяют наряду с необходимым согласованием свойств снизить температуру начала диффузионного взаимодействия компонентов и обеспечить релаксацию напряжений в микрообъемах при напылении более тугоплавкого внешнего слоя.
В ряде случаев газо-термического напыления в области контакта покрытия с металлом подложки возникает жидкая фаза и поэтому роль таких явлений, как смачивание материалов и растекание капли по поверхности становится определяющей. Природа таких явлений изложена в работе [21].
Смачивание - обязательное условие адгезии и прилипания расплава к твердой поверхности. В отсутствии смачивания {в = 180) работа адгезии Аадг и сила прилипания расплава Fnp к твердой поверхности становятся равными нулю. Однако между углом смачивания в и Аадгили Fnp нет простой взаимосвязи. Смачивание - лишь один из факторов, определяющих адгезию и силу прилипания расплава.
Физико-химические и технологические характеристики исходных напыляемых материалов, а также методы их подготовки перед напылением оказывают большое влияние на структуру и свойства покрытия и переходной зоны.
При подготовке порошковых материалов для напыления особое внимание уделяют их классификации по форме и размерам, сфероидизации, дегазации и восстановлению, конгломерации с активирующими добавками, созданию искусственных пленок на поверхности.
При прогнозировании прочности сцепления следует учитывать также возможность фазовых превращений в материале покрытия [8].
На практике широко применяют конгломерацию порошков в гранулы в инертных растворах с защитно-восстановительными связками, путем введения активирующих добавок. Наряду с приготовлением порошковых смесей оправдало себя плакирование порошков механическим и химико-термическим легированием [22]. Данными способами возможно получение порошков с различной концентрацией компонентов. Широко используются в производстве самофлюсующиеся порошки системы Ni-Cr-Si-B, обеспечивающие высокие эксплу-тационные характеристики покрытий.
Химико-термическая обработка газо-термических покрытий на железной основе. -... концепция создания высокопрочных композиционных покрытий
В научных исследованиях и инженерной практике наибольшее распространение получил метод термодинамического анализа, при котором записывают ряд предполагаемых химических реакций с участием исходных веществ и вероятных промежуточных и конечных продуктов (как конденсированных, так и газообразных), и на основе справочных данных определяют изменение стандартного термодинамического потенциала AGT для этих реакций. При этом оставляют только независимые реакции, отбрасывая зависимые (т.е., которые получаются алгебраическим суммированием независимых реакций). Используя уравнение изотермы Вант-Гоффа AGT = -RTlnKa, где Т - температура, К - универсальная газовая постоянная, определяют константы равновесия Ка химических реакций. Затем по методике, описанной в работах [36,37] составляют систему нелинейных алгебраических уравнений относительно равновесных концентраций веществ. Решая эту систему с помощью численных методов, получают количественный состав данной химически реагирующей системы в состоянии равновесия, т.е. выход продуктов.
Кроме этого, часто полагают, что в системе могут протекать лишь реакции, имеющие при данной температуре отрицательное значение AGT, И ПО формальной записи химических реакций, у которых AGT 0, судят о механизме протекания процесса.
Такой метод расчета, получивший определенное распространение в научных исследованиях и инженерных приложениях, дает правильные результаты только при малом количестве реагирующих веществ, когда одновременно протекает не более 2-3 реакций, а также для многокомпонентных газофазных смесей [36,37].
В гетерофазных системах с большим числом компонентов одновременно протекает большое число химических и фазовых превращений на различных границах раздела фаз. При этом возможно образование различных промежуточных продуктов (твердых и газообразных), и новых поверхностей. Ведущей может оказаться промежуточная реакция с AGT 0. Кроме того, в многокомпонентных системах легко упустить из виду большое число промежуточных продуктов и соответствующих химических реакций, которые могут оказать существенное влияние на окончательный результат расчета. Поскольку большинство систем, рассматриваемых в металлургических процессах (стали, сплавы, порошковые композиции и т.д.) относятся к гетерофазным многокомпонентным, для термодинамического прогнозирования химического равновесия в таких системах необходимо применять другие методы.
В термодинамике рассматривается лишь исходное и конечное состояние системы, и не принимается во внимание путь перехода. Равновесное состояние системы определяется условием минимума свободной энергии. Для изобарно-изотермических условий, которые обычно реализуются в металлургических процессах, это потенциал Гиббса. При этом формальная запись уравнений химических реакций является излишним звеном, поскольку в многокомпонентной системе возможно большое число путей перехода от исходного состояния к равновесному [38]. В связи с этим термодинамический расчет сводится к поиску соединений, которые могут образоваться из элементов, входящих в состав исходных веществ, и определению количественного соотношения этих веществ, отвечающего условию термодинамического равновесия. Для этого необходима база данных с термодинамическими свойствами большого числа веществ, а решение задачи требует выполнения весьма трудоемких расчетов, которые можно реализовать только на высокопроизводительной ЭВМ.
Система АСТРА-3 с термодинамической базой данных (БД) предназначена для решения подобных задач. В ней поиск равновесного состава гетерофаз-ной многокомпонентной системы осуществляется путем нахождения локального экстремума энтропии системы S при наличии ограничений (условие сохранения массы каждого элемента и полной внутренней энергии системы) при заданном исходном составе и термодинамическом режиме (изобарно-изотермическом, изохорно-изотермическом, адиабатическом и др.) [39]. Для изобарно-изотермических условий это эквивалентно поиску состояния, отвечающему условию минимума потенциала Гиббса изолированной системы. В БД системы АСТРА-3 находится информация о термодинамических свойствах (зависимость потенциала Гиббса от температуры с учетом фазовых превращений) многих неорганических веществ: соли, оксиды, нитриды металлов, ряд карбидов и т.д. [40-46]. Однако информация об интерметаллических соединениях, сложных оксидах и некоторых других соединениях в БД системы АСТРА-3 отсутствует.
Важным свойством системы АСТРА-3 является то, что она позволяет учитывать формирование конденсированных растворов (твердых или жидких) -до двух в системе. При этом избыточная энтальпия смешения для раствора аппроксимируется моделью квазисубрегулярных растворов, учитывающая ее зависимость от концентрации и температуры. Однако в БД системы АСТРА-3 эти данные отсутствуют.
Система АСТРА-3 позволяет исключать из рассмотрения ряд веществ, имеющихся в базе данных. Это дает возможность проводить анализ метаста-бильного равновесия, когда из экспериментальных данных заранее известно, что, то или иное вещество не образуется в системе по кинетическим причинам.
Например, алмаз или кубический нитрид бора термодинамически устойчивы при нормальных условиях, но сформироваться могут лишь при высоких давлениях; многие органические соединения могут образоваться в химически реагирующей системе только при наличии катализаторов и т.п.
Важно отметить, что при термодинамическом анализе не учитываются такие важные факторы, как кинетика фазовых и химических взаимодействий, механизм их протекания, процессы переноса вещества из одной части реагирующей системы в другую (конвекция в газовой и жидкой фазе, диффузия) и др. процессы, которые оказывают существенное влияние на состав получаемого продукта, препятствуя в ряде случаев установлению термодинамического равновесия. Получаемые при термодинамическом расчете результаты характеризуют идеализированное состояние, соответствующее химическому равновесию гетерофазной многокомпонентной системы с диспергированными компонентами. В связи с этим сравнение результатов термодинамического анализа с экспериментальными данными дает возможность оценить относительную роль термодинамических и кинетических факторов, и может служить основой для разработки механизма процессов фазо- и структурообразования в сложных металлургических системах.
Механизм формирования боридного слоя
Газо-термически напыленные покрытия состоят из большого числа частиц различной формы и размеров. Эти частицы, а также имеющиеся поры между ними, расположены в основном беспорядочно или с малой степенью упорядоченности (рис. 2.1 и 2.7).
На практике, особенно на начальных этапах насыщения, фазовый состав слоя и граничные концентрации фаз часто весьма отличаются от равновесных. Учитывая это обстоятельство, а также исключительно высокую неравномерность распределения бора в металлах и сплавах, механизм формирования бори-рованного слоя можно представить следующим образом.
В начальные моменты насыщения образуется крайне неравномерный по концентрации твердый раствор бора устойчивый при температуре насыщения модификации железа. При этом, основная масса растворенного бора концентрируется на дефектных участках структуры: по границам зерен и блоков, в местах вывода на поверхность дислокаций, на дефектах упаковки, около скоплений точечных дефектов и т.д.
Указанные участки благодаря высокой горофильности бора быстро насыщаются им, гораздо быстрее, чем достигается предельная средняя раствори-мость бора железа (2-3). 10 %. Содержание бора на дефектных участках значительно выше указанной величины, поэтому именно в них создаются условия, благоприятные для образования зародышей борида Fe2B. Убедительным свидетельством этому являются результаты электронно-микроскопического исследования поверхности ГТН стали, борированных в течение малого времени.
Время, необходимое для образования зародышей Fe2B, определяется активностью насыщающей среды. При борировании в расплаве бури с 40 % В4С оно не превышает нескольких минут. За это время успевают сформироваться развитая зона твердого раствора бора в основе.
Это ещё раз доказывает, что борид Fe2B образуется на базе твердого раствора, а не является первичным во времени образование. Более того, насыщение металлов и сплавов бором можно проводить в таком режиме, когда в диффузионном слое образуется только твердый раствор.
Особенности строения боридов железа, специфика диффузии элементов в металлоподобных соединениях, особенности роста и кристаллографическая направленность боридных кристаллов в диффузионном слое представляют своеобразное (конусообразное) строение границы фазового раздела между Fe2B и у(а) -фазой.
При борировании в активных насыщающих средах формирование слоя не заканчивается образованием сплошного борида Fe2B и его ростом. Через определенное время возникают центры кристаллизации, а затем и кристаллы боридов FeB.
Время, необходимое для образования зародышей борида FeB, определяется мощностью диффузионного источника. В случае борирования в расплаве буры с ферросилицием, ферромарганцем или силикомарганцем борид FeB в диффузионном слое не образуется вообще. После образования центров кристаллизации борида Fe2B дальнейший их рост (и формирование сплошного слоя моноборида железа) происходит аналогично росту борида FeB.
В процессе формирования слоя с начала насыщения и до момента образования сплошного слоя боридов под ним успевает образоваться весьма развитая переходная зона, которая представляет собой твердый раствор бора в ГТН стали и по толщине намного превосходит боридную зону. Возможность образования карбоборидов зависит преимущественно от температуры насыщения и исходной концентрации углерода стали. Метод борирования не изменяет характера влияния углерода на кинетику роста борированного слоя.
Это свидетельствует о том, что обнаруженные закономерности обусловлены не столько кинетикой самого борирования, сколько особенностями перераспределения углерода в процессе формирования боридного слоя.
Если в изделии выделить несколько одинаковых по объему областей, то число напыленных частиц, форма, расположение частиц и другие характеристики не будут совпадать. Такие структуры называются хаотическими. Проводить диффузионные расчеты в хаотических системах сложно, а в большинстве случаев невозможно. Исследовав процессы в одной области, нельзя утверждать, что абсолютно так же они проходят в другой части материала с характеристической структурой. Исследование же диффузии во всем объеме таких систем является неразрешимой задачей. Металлографические и физические исследования хаотических систем показывают, что в их отдельных частях помимо различий и много общего. Это дает основание вместо реальной сложной хаотической системы использовать ее упорядоченную физическую модель. Модель обязательно должна отражать основные геометрические свойства реальной системы. Полученная с помощью такой модели теоретическая структура является упорядоченной. При использовании моделей не нужны диффузионные расчеты для всего изделия. Достаточно провести их для элементарной ячейки, повторением которой вдоль осей координат можно построить модель всего материала. При моделировании процесса химико-термической обработки ГТН покрытий форму элементарной ячейки удобно выбирать в виде полубесконечной полосы. Она получается из элементарной ячейки в виде параллепипеда, достройкой его аналогичными ячейками вдоль оси, например Оу, при условии, что насыщение происходит с поверхности XQ = у (t0).
Исследования износостойкости упрочненных покрытий при различных схемах изнашивания
Методы исследования прочности сцепления. При оценке ресурса работы газо-термических покрытий очень важны свойства не только поверхностных слоев, которые в процессе эксплуатации соприкасаются с внешней средой, но и переходной зоны на границе раздела между покрытием и подложкой. Принято считать, что во многих случаях определяющим свойством, характеризующим качество наносимого покрытия, является прочность сцепления.
В настоящее время разработано значительное количество разрушающих и неразрушающих методов оценки прочности сцепления покрытий с подложкой, в которых приводятся несравнимые численные значения по адгезионной прочности, так как они получены различными методами испытаний.
К неразрушающим методам измерения адгезионной прочности относят радиометрический, электронно-микроскопический, люминесцентный, ультразвуковой, фотометрический и ряд других, которые основаны на корреляции между адгезионной прочностью и физическими свойствами адгезионных соединений. Указанные методы следует отнести к качественным показателям адгезионной прочности.
К числу качественных также относятся методы, основанные на одновременной деформации покрытия и подложки. Нарушение целостности композита или контакта между составляющими его компонентами оценивается характеристикой адгезионной прочности. Деформацию можно осуществлять с использованием изгиба, растяжения, сжатия, удара и т.д. При любом из указанных видов деформации нарушение контакта происходит в результате возникновения внутренних напряжений. Например, при изгибе показателем, характеризующим ад гезионную прочность, может служить угол изгиба, при котором произошло нарушение контакта и в покрытии возникла трещина. Преимущество анализируемых способов - в их простоте. Однако изгиб до определенного угла с точно заданной скоростью деформации представляет определенную проблему, а изменение скорости изгиба приводит к различным значениям углов, при которых начинает развиваться трещина. Тем не менее данный метод целесообразно использовать как технологическую пробу [13].
В отличие от качественных методов количественные дают возможность повысить точность измерений, что обеспечивает возможность более детального изучения закономерностей поведения материалов. Группа количественных методов чрезвычайно разнообразна. Среди них распространены и используются методики, основанные на срезании отдельных частиц или покрытия в целом. Однако результаты испытаний по этим методикам не всегда корректны, так как в процессе испытаний покрытие находится в сложнонапряженном состоянии.
Для оценки количественных значений адгезионной прочности необходимо проведение экспериментальных исследований по единой методике. В практике определения прочности сцепления, наиболее чаще используются следующие методы [2]: 1) метод отрыва штифта при нормальном приложении силы (рис 3.1, а); 2) сдвиг покрытий силой, направленной по оси образца (рис. 3.1, б); 3) метод кручения (рис. 3.1, в).
Наиболее высокие значения прочности сцепления получают при тангенциальном и осевом приложении силы. Но, применяя эти методы испытания, нельзя получить истинного значения прочности сцепления. При тангенциальном приложении силы провертывание покрытия будет происходить с разрушением его по основанию выступов и вершинам неровностей, полученных в результате подготовки поверхности. Аналогичное явление будет иметь место и при осевом приложении силы, т.е. по схеме среза покрытия.
Принимая во внимание преимущества и недостатки различных методов измерения прочности сцепления покрытий с основным металлом в настоящей работе за основу сравнительных исследований принят штифтовой метод отрыва. Измерение адгезионной прочности покрытий с основой, как уже отмечалось, представляет значительную сложность и требует разработки специальных методов, основное назначение которых заключается в проведении количественного и качественного контроля изделий, а также в изучении процессов, происходящих на основном металле при формировании покрытий. Это в большей степени относится к многослойным покрытиям, в частности двухслойным. При этом прочность сцепления ВСП с промежуточным слоем (ПС) и основным металлом определяется как технологическими параметрами нанесения покрытий, так и свойствами материалов покрытия и подложки. Выявление характера взаимодействия ВСП с основным материалом и влияние условий напыления на прочность сцепления возможно только при наличии достаточно точного метода определения сил связи между ними и при правильном анализе результатов испытаний. Ниже рассмотрены несколько методов, применяемых в практике при количественной оценке адгезионной прочности как одно-, так и многослойных покрытий.
Наиболее широкое распространение получил клеевой метод (рис. 3.2, а), основанный на отрыве склеенных бобышек, на одну из которых нанесено покрытие [3]. Однако этот метод не всегда пригоден для измерения, так как связан с некоторыми трудностями при проведении испытаний, а именно: 1) тщательной подготовкой образцов и соблюдением технологического режима склеивания; 2) влиянием краевых эффектов; 3) наличием значительной пористости в напыленном покрытии, что создает возможность проникновения клея до основного металла или подслоя и может привести к существенному разбросу экспериментальных данных.
