Способ оценки когезионной прочности порошковых металлических покрытий

Авторы патента:

Рожков Константин Анатольевич (RU)

Пеленев Алексей Сергеевич (RU)

Итальев Роман Алексеевич (RU)

Севостьянов Константин Александрович (RU)

G01N19/04 - определение адгезионной способности, например изоляционных лент, покрытий

Владельцы патента RU 2760253:

Акционерное общество "Пермский завод "Машиностроитель" (RU)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для определения когезионной прочности порошковых покрытий, наносимых методом газодинамического напыления. Способ включает операции: изготовление плоского образца-подложки, нанесение исследуемого порошкового покрытия, обработку покрытия точением заподлицо с поверхностью подложки с внешней стороны, разрыв образца в разрывной машине, определение величины прочности. В подложке по центру выполняют поперечную проточку в форме перевернутой трапеции с шириной основания 15-25 мм, глубиной 2/3 толщины подложки и углами между боковыми плоскостями и основанием проточки не менее 120 град, имеющими скругления радиусом не менее 4 мм, далее проточку заполняют порошковым покрытием, затем с обратной стороны подложки точением удаляют металлическое основание проточки до нанесенного покрытия, после чего осуществляют разрыв образца. Технический результат - повышение технологичности способа, повышении точности результатов испытаний за счет повышения качества напыляемого слоя. 3 ил.

Изобретение относится к способам оценки когезионной прочности порошковых металлических покрытий, полученных методом холодного газодинамического напыления, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, где применяются газодинамические методы нанесения покрытий для оценки когезионной прочности порошковых металлических покрытий.

Известен образец для оценки когезионной прочности порошковых металлических покрытий [патент РФ на изобретение № RU 2649085, МПК G01N 1/28, опубл. 29.03.2018 г.].

Для оценки когезионной прочности порошковых металлических покрытий изготавливают образец - металлическую подложку в виде двух полых цилиндрических симметричных частей с углублениями в виде проточек на наружной образующей и проточек диаметром, соответствующим наружному диаметру центрирующей втулки, на внутренней поверхности. На внутренней поверхности обеих частей выполняют резьбу для установки хвостовиков для крепления образца в растягивающей испытательной машине. Для проведения испытаний образец подготавливают: Две симметричные части подложки для центрирования и плотного их соединения фиксируют с помощью центрирующей втулки и жестко соединяют технологической оснасткой, состоящей из шпильки, шайб и гаек, с обеспечением зазора на стыке цилиндрических частей 10-20 мкм. Далее на поверхность симметричных частей единовременно с заполнением углублений наносят равномерное по толщине 0,02-1,0 мм покрытие с последующей обработкой его лезвийным инструментом до получения необходимой толщины слоя металла. После этого образец освобождают от соединения шпильки и во внутреннюю резьбу заворачивают хвостовики, необходимые для закрепления устройства в захватах разрывной испытательной машины. Образец устанавливают в захваты разрывной машины и к нему прикладывают растягивающее усилие. В процессе испытаний определяют нагрузку, при которой происходит отрыв одной цилиндрической части от другой. Затем, используя известную формулу, определяют когезионную прочность покрытия:

где P_max - максимальная нагрузка, предшествующая разрушению; F - площадь образца по торцу.

Общими признаками для известного и заявленного технического решения являются: изготовление подложки, выполнение углубления в виде проточки, заполнение углубления, доводочная механическая обработка покрытия, способ определения прочности.

Недостатки данного способа

Способ нетехнологичен, требует дополнительных материальных и трудовых затрат на его осуществление, имеются погрешности, не учитываемые при определении величины прочности наносимого металла, что снижает точность оценки когезионной прочности порошковых металлических покрытий, так как:

- для осуществления способа требуется изготовление специальной технологической оснастки (центрирующая втулка, хвостовики, элементы технологической стяжки цилиндрических частей - шпилька, шайбы и гайки);

- требуется предварительная подготовка частей образца к испытаниям, обусловленная применением дополнительной технологической оснастки;

- снижение точности результатов измерения прочности покрытия из-за неточностей при определении площади поперечного сечения образца по торцу, т.к. окончательная площадь сечения зависит от точности механической обработки покрытия, точности изготовления цилиндрических подложек, а также зазора между центрирующей втулкой и подложками, что приводит к погрешностям при определении прочности покрытия.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения адгезионной и когезионной прочностей газотермических покрытий по патенту РФ на изобретение № RU 2309397, МПК G01N 19/04, опубл. 27.10.2007 г.

Способ заключается в изготовлении плоского образца, состоящего из матрицы с открытыми отверстиями для крепления частей подложки болтовым способом, самой подложки, состоящей из двух симметричных плоских пластин с отверстиями, соответствующими по диаметру отверстиям в матрице, двух болтов с гайками, длины которых достаточно для фиксации частей подложки относительно матрицы. Для определения когезионной прочности подложку перед напылением разделяют на две ровные части по оси симметрии матрицы, матрица сверху выкладывается фольгой. После чего на ней фиксируют части подложки болтами, наносят покрытие между частями подложки, покрытие обрабатывается точением, толщина его в месте раздела замеряется, подложку помещают в разрывную машину и производят отрыв с приложением силы F_k, перпендикулярной линии разделения частей подложки. Величину когезионной прочности определяют по формуле:

где F_k - сила отрыва;

h - толщина покрытия;

l - длина раздела подложки.

Недостатки известного способа

Способ нетехнологичен, требует дополнительных материальных и трудовых затрат, снижена достоверность результатов при оценке прочности т.к.:

- используется дополнительная оснастка - матрица, болты, фольга (требует выполнение дополнительных технологических приемов);

- получение качественного равномерного и плотного покрытия при указанной конфигурации разделки между пластинами-подложками практически невозможно, так как при нанесении покрытия в разделку прямоугольного сечения имеет место образование дефектов (поры, несплошности, отслоения) из-за отсутствия всестороннего доступа к напыляемым поверхностям, а также наличию концентраторов напряжений - прямых углов;

- достоверность результатов оценки прочностных свойств покрытия снижена из-за наличия дефектов при нанесении покрытия.

Общими признаками для прототипа и заявленного изобретения являются: изготовление плоского образца-подложки, нанесение исследуемого порошкового покрытия, обработка покрытия точением заподлицо с поверхностью подложки с внешней стороны, разрыв образца в разрывной машине, определение величины когезионной прочности.

Задачами, на решение которых направлено заявленное изобретение, являются: повышение технологичности способа и снижение затрат на его осуществление (отказ от дополнительного оснащения, выполнения дополнительных технологических операций), повышение точности получаемых значений когезионной прочности.

При решении поставленных задач достигаются следующие технические результаты:

- исключение факторов, влияющих на качество покрытия в процессе его нанесения на подложку, таких как наличие пор, несплошностей, отслоений в углах между частями подложки и поверхностью матрицы;

- снижение погрешностей при расчетах прочности за счет исключения дефектов в напыляемом покрытии;

- сокращение подготовительного и технологического циклов для осуществления способа;

- повышение экономичности за счет снижения трудовых и материальных затрат на осуществление способа.

Технический результат достигается тем, что в способе определения когезионной прочности порошковых покрытий, включающем в себя изготовление плоского образца-подложки, нанесение исследуемого порошкового покрытия, обработку порошкового покрытия точением заподлицо с поверхностью подложки с внешней стороны, разрыв образца в разрывной машине, определение величины прочности, согласно изобретению, в подложке по центру выполняют поперечную проточку в форме перевернутой трапеции с шириной основания 15-25 мм, глубиной 2/3 толщины подложки и углами между боковыми плоскостями и основанием проточки не менее 120 град, имеющими скругления радиусом не менее 4 мм, далее проточку заполняют порошковым покрытием, затем с обратной стороны подложки точением удаляют металлическое основание проточки до нанесенного покрытия, после чего осуществляют разрыв образца.

Заявляемое техническое решение соответствует критериям новизна и изобретательский уровень т.к. имеет отличительные от прототипа признаки, характеризуется новой совокупностью и последовательностью существенных признаков, что позволяет при использовании изобретения решить поставленные задачи и получить новые по сравнению с выявленными аналогами и прототипом вышеуказанные технические результаты.

Способ поясняется рисунками. На рис. 1 отображена схема механической обработки пластины под напыление, на рис. 2 - напыление пластины, на рис. 3 - пластина с напылением после механической обработки.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример конкретного осуществления

В металлической пластине из АМг6 толщиной 5 мм фрезерованием по центру выполняют поперечную проточку в форме перевернутой трапеции со скругленными углами. Глубина проточки - 2/3 от толщины подложки, ширина проточки в нижней части - 15-25 мм, угол между боковыми плоскостями и основанием проточки составляет не менее 120°, углы имеют скругления с радиусом не менее 4 мм (рис. 1). После этого проточку заполняют порошковым покрытием методом газодинамического напыления (рис. 2). В качестве напыляемого порошка используется порошок, изготовленный по ТУ 1791-001-40707672-2010. Далее напыленный слой механически обрабатывают с внешней стороны подложки заподлицо с поверхностями подложки. После этого с обратной стороны подложки удаляют основание проточки из основного металла путем его фрезерования до напыленной поверхности, таким образом соединенная между собой напыленным слоем подложка разделяется на две металлические части, соединенные между собой напыленным слоем (рис. 3). Полученный образец устанавливают в захваты разрывной машины и к нему прикладывают растягивающее усилие. В процессе испытаний определяют нагрузку, при которой происходит разрыв по напыленному слою. Далее определяют когезионную прочность покрытия по общеизвестной формуле:

где P_max - максимальная нагрузка, предшествующая разрушению; F - площадь образца по торцу.

Установленные параметры, интервалы значений выполняемого образца-подложки, форма проточки в виде перевернутой трапеции, глубина проточки 2/3 от толщины подложки, ширина проточки в нижней части 15-25 мм, угол между боковыми плоскостями и основанием проточки не менее 120°, скругление углов с радиусом не менее 4 мм определены опытным путем. Скругления в углах проточки не создают концентраторов напряжений и позволяют повысить качество (равномерность, плотность) напыляемого покрытия.

При испытаниях фактически установлено, что напыление в проточку, имеющую форму с параметрами в указанных значениях, интервалах значений позволяет получать равномерное плотное покрытие без дефектов в виде пор, несплошностей, отслоений.

Заявленный способ оценки когезионной прочности порошковых металлических покрытий по сравнению с прототипом более технологичный, позволяет сократить затраты на изготовление дополнительного крепежного оснащения за счет использования цельной пластины при подготовке образца, увеличить точность результатов испытаний за счет повышения качества напыленного слоя.

Способ оценки когезионной прочности порошковых металлических покрытий, включающий в себя изготовление плоского образца - подложки, нанесение исследуемого порошкового покрытия, обработку покрытия точением заподлицо с поверхностью подложки с внешней стороны, разрыв образца в разрывной машине, определение величины прочности, отличающийся тем, что в подложке по центру выполняют поперечную проточку в форме перевернутой трапеции шириной основания 15-25 мм, глубиной 2/3 толщины подложки и углами между боковыми плоскостями и основанием проточки не менее 120 град, имеющими скругления радиусом не менее 4 мм, далее проточку заполняют порошковым покрытием, затем с обратной стороны подложки точением удаляют металлическое основание проточки до нанесенного покрытия, после чего осуществляют разрыв образца.

Изобретение относится к механическим испытаниям покрытий, а именно к методам определения остаточных напряжений в покрытиях, созданных напылением. Техническим результатом является получение более широкой и точной информации по характеристике создаваемого покрытия напылением.

Способ определения адгезионной прочности тонких твердых покрытий на податливых подложках // 2747709

Изобретение относится к измерительной технике для определения адгезионной прочности тонких твердых покрытий на податливых подложках. Сущность: производят нагружение и внедрение алмазного пирамидального наконечника в поверхность покрытия на податливой подложке на глубину, обеспечивающую отслоение покрытия от основы при разгружении, при этом записывают экспериментальную диаграмму внедрения в виде кривых изменения нагрузки от глубины внедрения при возрастании и затем снижении нагрузки до нуля, фиксируют значения максимальной нагрузки и соответствующей ей глубины внедрения, рассчитывают эффективный модуль упругости и композиционную твердость покрытия на податливой подложке, осуществляют графически построение теоретических кривых нагружения и разгружения в виде модельной диаграммы внедрения, после чего совмещают модельную диаграмму внедрения с экспериментальной диаграммой внедрения слоистого тела, достраивают кривую разгружения в экспериментальной диаграмме внедрения, описывающую вариант экспериментальной диаграммы внедрения при когерентной связи покрытия к подложке, выявляют области в экспериментальной диаграмме внедрения, отличающиеся от аналогичных областей модельной диаграммы внедрения, анализируют природу образования этих областей, рассчитывают работу, затрачиваемую на упругое восстановление отслоившегося покрытия при разгружении, как количественную разницу в площадях отличительных областей, сопоставляют величину работы, затрачиваемой на упругое восстановление отслоившегося покрытия, с площадью фигуры в виде треугольника, одна из сторон которого образует острый угол с осью абсцисс, и по тангенсу данного угла рассчитывают по известной формуле значение адгезионной прочности покрытия.

Способ определения силы схватывания металлических поверхностей при трении // 2738598

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения силы схватывания при трении ювенильных поверхностей. Сущность: обеспечивают шероховатость поверхностей образца и контртела, не превышающей Ra=0,2 мкм.

Способ оценки прочности сцепления многослойного покрытия // 2728732

Изобретение относится к исследованиям механических свойств покрытий, а именно к способам определения прочности сцепления покрытия с основой, и может быть использовано для оценки прочности сцепления слоев в многослойном покрытии. Способ оценки прочности сцепления многослойного покрытия заключается в нанесении слоев испытуемого покрытия на образец в виде металлической пластины, выполнении в покрытии поперечного надреза до подложки и изгиба пластины с испытуемым покрытием при расположении надреза в области растяжения при изгибе пластины и оценке прочности сцепления по результатам разрушения покрытия, надрез выполняют в зоне максимальной деформации металлической пластины при изгибе, при этом до или после деформации приготавливают микрошлиф в плоскости, перпендикулярной линии надреза, и на микрошлифе или его фотографическом изображении определяют: точку О - точку пересечения биссектрисы угла изгиба образца α, проходящей через центр надреза О', с линией, перпендикулярной поверхности покрытия в точке А1 и проходящей через точку А1, проводят из точки О линию через точку А2 и определяют угол γ1 между этой линией ОА2 и биссектрисой ОО', затем проводят из точки О линию через точку А3 и определяют угол γmax между этой линией ОА3 и биссектрисой ОО', затем проводят из точки О линию через точку А4 и определяют угол γmin между этой линией ОА4 и биссектрисой ОО', где: α - угол изгиба образца; A1 - точка начала зоны деформации пластины; А2 - точка конца участка отслоения покрытия от основы; γ1 - угол отслоения покрытия от основы; А3 - точка конца участка максимального отслоения слоя покрытия от нижележащего слоя покрытия; γmax - угол максимального отслоения слоев покрытия; А4 - точка конца участка минимального отслоения слоя покрытия от нижележащего слоя покрытия; γmin - угол минимального отслоения слоев покрытия; а по значениям углов γ1, γmax, γmin судят о прочности сцепления между слоями и между покрытием и основой, причем чем больше значение углов γ1, γmax, γmin, тем меньше прочность сцепления.

Способ испытания на ползучесть клеевого соединения при сдвиге и устройство для его реализации // 2724153

Изобретение относится к области определения механических и реологических свойств клеевых композиций. Сущность: склеенный образец размещают в обойме, испытывают его на ползучесть, регистрируют текущие значения деформации клеевой композиции и строят кривую ползучести, по которой судят о характеристиках ползучести клеевой композиции, текущее значение деформации клеевой композиции регистрируется расстоянием между линзой и стеклянной пластинкой методом колец Ньютона, наблюдаемых в монохроматическом свете с помощью цифрового микроскопа, соединенного с персональной ЭВМ (ПЭВМ) для их обработки, при нормальном к поверхности пластины падении световых лучей.

Способ для проведения испытаний на адгезионную прочность клееполимерных дисперсно-армированных композитов // 2723965

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к определению адгезионной прочности клееполимерных дисперсно-армированных композитов с подложкой из различных материалов. Сущность: испытания проводятся путем проворачивания цилиндрического рабочего элемента, зафиксированного в затвердевшем объеме опытного композита, который сформирован в матрице, крепящейся на неподвижном основании.

Устройство для испытаний на послойное скалывание // 2721831

Изобретение относится к области производства строительных конструкций. Устройство состоит из основания приспособления, пуансона, опоры, прижимного винта, синхронизатора усилий, пяты, прижима из двух частей, с которыми связан синхронизатор усилия, причем опора имеет отверстие прямоугольной формы, размеры которого соотносятся с размерами скалываемой доли контрольного образца, как a=1,1с; b=1,1d, где a и b - длина и ширина отверстия; с и d - длина и ширина скалываемой части контрольного образца, при этом, линия контакта поверхности пуансона со скалываемой долей контрольного образца выполнена по циклоиде как брахистохрона.

Способ определения адгезионной и когезионной стойкости металлических покрытий // 2717260

Способ относится к области исследования адгезионной и когезионной стойкости металлических покрытий. Сущность способа состоит в том, что деталь с покрытиями закрепляют непосредственно на рабочую поверхность ультразвукового излучателя и помещают ее в рабочую камеру с жидкой суспензией с абразивом.

Способ оценки адгезионной прочности многослойного покрытия // 2717142

Изобретение относится к исследованиям механических свойств покрытий, а именно к способам оценки адгезионной прочности покрытия с основой. Способ заключается в нанесении слоев испытуемого покрытия на образец в виде металлической пластины, выполнении в покрытии поперечного надреза до подложки и изгибе пластины с испытуемым покрытием при расположении надреза в области растяжения при изгибе пластины и оценке прочности сцепления по результатам разрушения покрытия.

Система и способ для обнаружения ослабления силы адгезии между конструктивными элементами // 2710525

Изобретение относится к способу и системе для обнаружения ослабления силы адгезии между двумя или более соединенными поверхностями двух или более конструктивных элементов. Система содержит один или более штифт нагрузки (ШН) и контроллер.

Способ оценки адгезионной прочности покрытий и устройство для его осуществления // 2764657

Группа изобретений относится к способам исследования механических свойств материалов и средствам для их осуществления и может быть использована для испытания и оценки адгезионной прочности покрытий, нанесенных на тонколистовые образцы. Сущность: испытуемое покрытие наносят на тонколистовой образец, выполненный в виде квадратной пластины, размещенной на жестком основании, фиксируют образец с покрытием, склеивая его с контробразцом цилиндрической формы, выполненным без покрытия, при этом контробразец приклеивают торцом к центру образца со стороны испытуемого покрытия, закрепляют прижимным кольцом, соединенным с основанием при помощи фиксирующих болтов, подготовленный блок шарнирно устанавливают в захватах испытательной машины таким образом, чтобы направление нагрузки растяжения совпадало с вертикальной осью цилиндрического контробразца, путем перемещения захватов подвергают его воздействию отрывной нагрузки растяжения, плавно увеличивая ее до момента отрыва испытуемого покрытия от подложки. Устройство представляет собой блок, фиксирующий путем склеивания образец, выполненный из основного материала с испытуемым покрытием, и контробразец цилиндрической формы без покрытия. Образец выполнен в виде квадратной пластины из тонколистового гибкого материала, размещенной на жестком основании. Контробразец приклеен торцом к центру образца со стороны испытуемого покрытия и закреплен сверху прижимным кольцом, связанным с основанием при помощи фиксирующих болтов. Для шарнирного закрепления в захватах испытательной машины блок снабжен установочными шпильками, закрепленными в резьбовых отверстиях, выполненных в контробразце и основании. Технический результат: повышение точности и достоверности оценки адгезионной прочности покрытий на тонколистовых образцах. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.