Основные теоретические представления. Основной причиной низкой прочности покрытий является наличие в нихбольших разрушающих остаточных напряжений

Основной причиной низкой прочности покрытий является наличие в нихбольших разрушающих остаточных напряжений. Возникновение остаточных напряжений связано с различием температуры частиц и основы, их коэффициентами термического расширения, усадкой при кристаллизации, соотношением толщин покрытия и основы. Бессистемный (необоснованный)выбор толщин покрытий часто приводит к их разрушению в процессе напыления, при механической обработке, а также в период эксплуатации изделий. Поэтому в работе излагается методика, позволяющая назначать толщину покрытия с учётом её влияния на уровень остаточных напряжений.

Сравнительный анализ действующих сил в покрытии на плоской поверхности (рис.1) показал: а) наибольшее разрушающее действие на ма­териал покрытия оказывают растягивающие остаточные напряжения σ^р _ост;

б) величина предела прочности материала покрытия σ_в лимитирует прочность покрытия. Все остальные технологические параметры (форма напыляемой поверхности, способы её подготовки и др.) будут оказывать влияние через эти факторы. Для надежной прочности покрытия на плоской поверхности необходимо обеспечить соотношение

σ^р _ост < σ_в (1)

Практика напыления показывает, что критическая толщина покрытий на выпуклой замкнутой поверхности в 1,5-3 раза больше, чем на плоской поверхности. Причина повышения состоит в более благоприятном для покрытия перераспределении составляющих остаточных напряжений (рис.2). В этом случае превалирующими разрушающими силами будут касательные остаточные напряжения σ^к _ост. Причем сопротивление действию этих сил будет усиливаться с ростом высоты рельефа на поверхности основы. Таким образом, на выпуклой замкнутой поверхности касательные остаточные напряжения будут встречать противодействие целого комплекса сил, которые можно охарактеризовать как прочность сцепления покрытий с основой - σ_сц, Запас прочности покрытий на наружных цилиндрических поверхностях будет обеспечен при условии, если

σ_сц < σ^к _ост (2)

Рис.1. Распределение составля­ющих остаточных напряжений в покрытии на плоской поверхности: Р_отр - отрывающие силы; σ^р _ост -растягивающие напряжения; Н_ср- средняя высота неровностей; h-толщина покрытия; Н - высота основы

Рис.2. Распределение составляющих остаточных напряжений в покрытии на наружи, цилиндрической поверхности: Р_пр - прижимающие силы; σ^к _ост -касательные напряжения; D(H)-диаметр основы

Примечание: Условное обозначение электрометаллизационного покрытия. Мет - покрытие, нанесенное методом электродуговой металлизации; Л -материал покрытия; А - алюминий, Ж -сталь, Ц - цинк, М - медь; 160- цифра обозначает толщину покрытия в мкм.

Растягивающие σ^р _ост или касательные σ^к _остостаточные напряжения в покрытии можно рассчитать по следующей формуле:

σ^к _ост = (Е_{2 •}(a₁-a₂) /1+Е₂ •Н/Е₁•h) • ((T2-T1)/1-m) Н/м² (3)

Е_1, Е₂ - модули упругости материала основы и покрытия (табл.2);

a₁, a₂ - коэффициенты термического расширения материалов основы и покрытия (табл.2);

T2, T1-температуры основы (Т= 20°С) и плавления материале покрытия (табл.2);

H (D),h - толщина (диаметр) основы и покрытия (табл.1);

m= 0,25 - обобщенный коэффициент Пуассона (табл.2).

Зависимость прочности сцепления слоя с цилиндрической поверхностью, от ряда технологических факторов можно оценить с помощью формулы:

σ_сц» (E₂ •a₂•(T2-T1)•D/p•h) • A•H_ср , Н/м² (4)

где D - наружный диаметр вала, м (табл. 1);

А - коэффициент (табл.5);

h - толщина покрытия, м (табл. 1);

Е₂ - модуль упругости материала покрытия, Н/м² (табл.2);

a₁ - коэффициент терм. расширения материала покрытия, 1/град (табл. 2)

T2, T1 - температура основы (Т₁= 20°С) и плавления матер. покрытия(табл.2);

Н_ср - средняя высота неровностей на поверхности основы, мкм.

2. Необходимое оборудование, инструменты и материалы

1. Напыленные образцы плоской и цилиндрической формы.

2. Штангенциркуль

3. Порядок выполнения работы

Образцы для напыления плоской и цилиндрической формы, произвольных размеров изготовлены из стали и алюминиевого сплава. В качестве исходного материала для покрытий применялась алюминиевая, стальная, медная и цинковая проволоки диаметром 1,6мм.

Индивидуальные задания представлены в табл I

4. Примеры определения прочности металлического покрытия на плоской детали

Пример 1

Условие: На стальную плоскую деталь (изобразить рис.1) необходимо нанести алюминиевый защитный слой. Толщина детали Н = 1•10^-2м, толщина покрытия h = 5•10^-3м. Определить запас прочности покрытия при заданных размерах и сочетаниях материалов.

Решение:

1. Определение остаточных растягивающих напряжений в алюминиевом покрытии по формуле 3.

σ^к _ост = (Е₂ (a₁-a₂) / 1+Е₂•Н / Е₁•h) • ((T2-T1)/1-m) = (6,2 •10⁹•(26-12,1)•10^-6 / 1+ 6,2•10⁹ •10^-2 /2,06•10⁹•0,5•10^-3) • (660-20/1-0,25) = 0,47•10⁸ Н/м²

2. Определение возможности выполнения неравенства (1), характеризующего запас стойкости: σ^р _ост.< σ _в.

σ _в= 0,29 •10⁸... 0,49 •10⁸ Н/м² (табл. 3).

Вывод: Запас прочности незначителен.

Пример 2.

Условие: На алюминиевую плоскую деталь (рис. 1) необходимо нанести износостойкоестальное покрытие. Толщина детали H = 1 • 10^-2:м) толщина покрытия

h = 5•10^-3 м. Оценить запас прочности покрытия при заданных размерах и сочетаниях материалов.

Решение.

1. Определение остаточных растягивающих напряжений в стальном покрытии по формуле 3.

σ^к _ост = (Е₂ (a₁-a₂) /1+Е₂ •Н/Е₁•h) • ((T2-T1)/1-m) = (13,2 • 10⁹ • (26-11) • 10^-6 / 1+13,2 • 10⁹ •

• 10^-2 /65 •10⁹ • 0,5 • 10^-3) • (1550-20/1-0,25) = 0,78 •10⁸ Н/м²

2.Определение возможности выполнения неравенства (1), оценивающего запас прочности σ^р _ост < σ_В σ_В = 1,2 • 10⁸... 1,96 •10⁸ H/м².

Вывод:

Запас прочности стального покрытия на алюминиевой детали заданного сочетания толщин достаточен.

5. Примеры определения прочности металлических покрытий на наружной поверхности цилиндрической детали

Пример

Условие. На стальную цилиндрическую деталь (рис.2) необходимо нанести защитное алюминиевое покрытие. Диаметр детали D = Н = 6,0•10^-2м. Толщина покрытия h= 1 •10^-3м. Дать сравнительную оценку запаса прочности покрытия в зависимости от способа подготовки поверхности основы - "рваная резьба".

Решение.

1. Определение касательных остаточных напряжений в алюминиевом покрытии по (3)

σ^к _ост = (Е₂ (a₁-a₂) / 1+Е₂• Н/Е₁ •h) • ((T2-T1)/1-m) = (6,2 •10⁹ • (26-12,1) • 10^-6 / 1+ 6,2•10⁹•10^-2 /206•10⁹ •0,5 •10^-3) • (660-20/1-0,25) = 0,27 •10⁸ Н/м²

2. Определение прочности оцепления алюминиевого покрытия по формуле.

σ'_сц» (E₂ •a₂• (T2-T1) •D/p •h) • A • H_ср = (6,2•10⁹ •12,1 •10^-6 (660-20) / 3,14 •1•10^-3)•

•10^-2 •5,35 •10^-3

σ'_сц = 5,1 •10⁸ Н/м²

Подготовка поверхности - "рваная резьба"

3. Определение возможности выполнения неравенства (2), оценивающего запас прочности: σ'_сц> σ^к _ост. 5,1 •10⁸> 0,27 •10⁸.

Вывод. При способе подготовки поверхности "рваная резьба" запас прочности покрытия весьма высокий.

Содержание отчета

6.1.Цель работы

6.2.Эскизы образцов для напыления сословным обозначением покрытия, с размерами покрытия и основы, а также с распределением составляющих остаточных напряжений (рис. 1,2)

6.3.Расчёт остаточных напряжений и сил сцепления покрытия с основой.

6.4.Сделать выводы о прочности покрытий.

Контрольные вопросы

7.1.Какие последствия вызывают остаточные напряжения в покрытии?

7.2.В чем и когда проявляется разрушающее действие остаточных напряжений?

7.3.Что является причиной появления в покрытии остаточных напряжении?

7.4.Как влияет форма и способы подготовки напыляемой поверхности на распределение остаточных напряжений в покрытии?

7.5.Какими технологическими методами можно управлять прочностью электрометаллизационных покрытий?

Таблица 1

Индивидуальные задания

Примечания: Материал покрытия (сталь, медь, алюминий, цинк) и способ подготовки поверхности (обдув кварцевым песком, нанесение рваной резьбы, химическое травление)- согласовываются о преподавателем

Таблица 2

Значения теплофизических коэффициентов металлов основы и покрытия

Таблица 3.

Предел прочности металла покрытия на растяжение

Таблица 4

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: