Moscow, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
VAC 05.02.2008 Технология машиностроения
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
The work purpose is to investigate strength properties of composite coatings with quasi-crystals obtained through the method of gas dynamic sputtering. The object of development: quasi-crystals based on titanium carbonitride clad with nickel. In the course of the work there is offered a method for investigations of coating strength based on a pin and adhesive method with composites based on titanium carbonitride. The novelty of this investigation consists in obtaining new materials and investigations of their physical-mechanical properties. Composite coating on the basis of titanium carbonitride has shown high separation properties. The destruction took place in an intermediate layer between VN20 and KNTP35. During 10 mm bending there is a fine even mesh. At the impact load made there were not observed chips and separations that allow using coating data in heavy-loaded parts.
quasi-crystals, coatings, cohesion strength
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. Nizovcev, V.E. Nekotorye ocenki napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya keramicheskih kompozicionnyh materialov s uchetom tehnologicheskih por / V.E. Nizovcev, O.B. Sil'chenko, M.V. Siluyanova [i dr.] // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2018. - № 5. - S. 52-63.
2. Sil'chenko, O.B. O perspektivah primeneniya nanostrukturnyh geterofaznyh polifunkcional'nyh kompozicionnyh materialov v aviadvigatelestroenii / O.B. Sil'chenko, M.V. Siluyanova, V.E. Nizovcev, D.A. Klimov, A.A. Kornilov // Voprosy materialovedeniya.- 2018. - №1. - S. 50-57.
3. Zaharov, B.M. O prochnosti scepleniya pokry-tiy, nanosimyh metodom plazmennogo napyleniya / B.M. Zaharov, M.G. Trofimov, L.I. Guseva [i dr.] // Poroshkovaya metallurgiya. - 1970. - №11. - S. 71-76.
4. Ginzburg, E.G. Formirovanie kontaktnoy zony pokrytie podlozhka pri gazotermicheskom napylenii / E.G. Ginzburg, O.S. Kobyakov, V.A. Rozancev // Poroshkovaya metallurgiya. - 1986. - №10. - S. 47-50.
5. Morozov, V.I. Tehnologiya napyleniya detonacionnyh pokrytiy na osnove oksida cirkoniya, ih svoystva i primenenie / V.I. Morozov, L.T. Gordeeva [i dr.] // Tezisy dokl. 10 Vsesoyuznogo soveschaniya «Teoriya i praktika gazotermicheskogo naneseniya pokrytiy. - Dmitrov, 1985. - S. 37-39.
6. Harlamov, Yu.A. Klassifikaciya vidov vzaimodeystviya chastic poroshka s podlozhkoy pri nanesenii pokrytiy/ Yu.A. Harlamov // Poroshkovaya metallurgiya. - 1988. - №1. - S. 18-22.
7. Fedorenk, V.K. Vliyanie strukturnogo faktora poroshkovyh materialov na prochnostnye i plasticheskie svoystva detonacionnyh pokrytiy tipa VK / V.K. Fedorenko, R.K. Ivaschenko, V.H. Kadyrov [i dr.] // Poroshkovaya metallurgiya. - 1991. - №11. - S. 24-30.
8. Baldaev, L.H. Tehnologii detonacionnogo napyleniya v gorodskom i zhilischno-kommunal'nom hozyaystve. Innovacionnye processy v regionah Rossii / L.H. Baldaev, M.N. Butkevich, B.G. Hamicev: materialy Vseros. nauch,-prakt. konf. - Volgograd: Izd-vo VolGU, 2005. - S. 119-129.
9. Abuzin, Yu.A. Issledovanie osobennostey kvazikristallov pri sozdanii materialov dlya kosmosa, aviacii, motorostroeniya i drugih otrasley narodnogo hozyaystva / Yu.A. Abuzin, A.S. Yudin: sb. dokl. 1 Vseros. soveschaniya po kvazikristallam. - FGUP «VIAM», 2003. - S 112-119.
10. Rybin, A.S. Izuchenie vozmozhnosti prakticheskogo ispol'zovaniya kvazikristallov v kachestve funkcional'nyh pokryti / A.S. Rybin, I.V. Ulin, B.F. Farmakovskiy [i dr.]: sb. dokl. 1 Vseros. soveschaniya po kvazikristallam. - FGUP CNIIKM «Prometey, 2003. - S. 98-107.
11. OST 1.90371.87. Pokrytiya gazotermicheskie. Metody ispytaniya fizicheskih svoystv // Opredelenie plotnosti i poristosti. - M.: VIAM, 1987.
