CC BY
21
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 621.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ЦАПФ РОТОРНО-ОПОРНЫХ УЗЛОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
А.Ю. Родичев, А.В. Сытин, В.О. Тюрин
Рассмотрен вопрос различия адгезии частиц, покрытий и жидкости. В соответствии с приведенным разделением при газотермических методах напыления и при термосиловом припекании имеет место адгезионное взаимодействие частиц и покрытий. Применение термомеханической обработки предварительно сформированных покрытий (нанесение газотермическим напылением) позволяет повысить прочность сцепления покрытий цапф с основой. Для количественной оценки прочности сцепления покрытий с основным металлом применялся метод сдвига покрытия. Рассмотрен эксперимент по определению прочности сцепления образцов из Стали 20 с различным нанесенным покрытием. Сделан вывод о превосходстве прочности сцепления покрытий, полученных с помощью водородно-пропановой смеси.
Ключевые слова: роторно-опорный узел, покрытие, основа, прочность сцепления, адгезия, термомеханическая обработка, газотермическое напыление, метод сдвига покрытия, водородно-пропановая смесь.
Выполненные рядом исследователей работы по изучению работоспособности деталей с покрытиями убедительно показали, что основной причиной их разрушения (рис. 1) является недостаточная связь между материалом покрытия и основы [1, 2, 3]. По указанной причине серьезным ограничением на пути более широкого применения изделий, упрочненных покрытиями, следует считать прочность сцепления. Как известно [4], она зависит от механической и физико-химической совместимости компонентов.
Необходимо отметить, что исследования влияния структуры и свойств исходных материалов основы и покрытия на образование прочных адгезионных связей между ними проводят специальными методами.
269
Рис. 1. Разрушение покрытия: а - деталь с разрушенным покрытием; б - элемент покрытия
В технической литературе адгезия трактуется как возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных тел, приведенных в соприкосновение. Как утверждает автор работ [5, 6], следует различать адгезию частиц, покрытий и жидкости. В соответствии с приведенным разделением при газотермических методах напыления и при термосиловом припекании имеет место адгезионное взаимодействие частиц и покрытий. Среднеинтегральная температура частиц находится при температурах «спекания» (0,5-0,9Тпл). Градиент температур от периферии к ядру частицы находится в интервале «жидкость - твердое тело».
Применение термомеханической обработки предварительно сформированных покрытий (нанесение газотермическим напылением) позволяет повысить прочность сцепления покрытий с основой при максимальном сохранении исходной структуры и свойств порошка [7].
Анализ, обоснование и выработка рекомендаций по использованию методов проведения испытаний механических свойств материалов, в том числе и композиционных, полученных методами газопламенного напыления покрытий, - один из наиболее важных этапов исследования, который позволяет не только объективно судить о механическом поведении деталей при эксплуатации, но и активно управлять ресурсом их работы, воздействуя на состав, структуру, свойства и на технологию получения покрытий.
Условно методы оценки прочности сцепления покрытия с основой можно разделить на качественные и количественные. Причем последние имеют определенное преимущество, так как дают абсолютные оценочные значения искомых параметров [8].
Следует обратить внимание на то, что отрыв покрытий от поверхности изделия в большинстве случаев не соответствует условиям работы деталей. Используя внешнюю силу, которая направлена тангенциально к поверхности контакта покрытия, можно нарушить адгезионную связь путем среза, сдвига или кручения.
Прочность сцепления покрытий с основным металлом является одним из важных факторов, характеризующих возможность применения металлических покрытий. Для количественной оценки прочности сцепления применяется метод сдвига покрытия. Для этого необходимо сдвинуть покрытие с поверхности основы и преодолеть сцепление между ними. Величина прочности сцепления зависит от площади контакта покрытия и основы, а также их геометрии.
К одному из наиболее распространенных способов испытания на сдвиг относится продавливание образца с покрытием через матрицу, т.е. прочность сцепления с основой исследуется на сдвиг согласно методике, предложенной в работах [9, 10] по схеме, показанной на рис. 2.
Образен с покрытием
Матрица
Рис. 2. Схема испытания покрытия на сдвиг
На центральную часть поверхности цилиндрического образца (основного металла) напыляется исследуемое покрытие. Образец без покрытия входит по скользящей посадке в матрицу. Затем образец с покрытием устанавливается в матрице таким образом, чтобы покрытие опиралось на торцовую поверхность матрицы [11].
Для испытания было изготовлено несколько комплектов специальных образцов из Стали 20 с нанесенным покрытием согласно эскизу на рис. 3, а. В качестве основы была изготовлена матрица из Стали 45 (рис. 3, б).
Каждый образец был пронумерован путем выбивания на торце порядкового номера 1, 2, 3, 4. Для каждого следующего комплекта вводилась дополнительная цифра 1_1; 2_1 и т.д.
271
а
30+0,5 б
Рис. 3. Эскизы: а - образец; б - матрица
Напыление образцов (рис. 4) производилось с помощью двух газов (ацетилен и водород-пропан) на две разные предварительно подготовленные поверхности («рваная резьба» и сотовый микрорельеф). В качестве напыляемого покрытия использовались несколько типов порошка при различных способах нанесения покрытия.
1. Порошок ПРНХ17СР4 наносили газопламенным напылением (горелка «Искра-1») с оплавлением в печи (1050 0С).
2. Порошок ПРНХ17СР4 наносили наплавкой (горелка «Искра-2»).
3. Порошок ПРНХ17СР4 наносили газопламенным напылением (горелка «Искра-1») с последующим оплавлением (горелка «Искра-2»).
3. Подслой порошка ПГ-Ю5Н наносили газопламенным напылением (горелка «Искра-1»), основной слой ПРНХ16СР3 наносили газопламенным напылением (горелка «Искра-1»).
Рис. 4. Образцы с различным покрытием
272
Измерения (рис. 5, а, б) силы сдвига производились на прессе типа 20-10 производства Германии по ГОСТ 7855-68 путем продавливания образцов сквозь матрицу (рис. 5, в).
Прочность сцепления при сдвиге оценивается напряжением сдвига:
°сц = —
5
р-Ь ■ d
где ^ - сила сдвига, Н; 5 - площадь контакта покрытия с основой, м2; d, Ь соответственно диаметр образца и ширина покрытия, м.
а
б
в
Рис. 5. Определение прочности сцепления: а - общий вид экспериментальной установки; б - продавливание образца через матрицу; в - продавленный через матрицу образец
Полученные данные (прочность сцепления) подвергаем предварительной статистической обработке по критерию Стьюдента [12], полученные результаты с доверительным интервалом сводим в таблицу 1.
Показатели прочности сцепления (МПа)
Способ нанесения покрытия Ацетилен-кислород Водород-пропан
рваная резьба микрорельеф рваная резьба микрорельеф
образец 1 образец 2 образец 3 образец 4
№1 193.8 +03 196Д +03 +2,6 196,5 0 . -2,6 201,6 +117
№2 130.6 +09 136Д 150,3 +1,4 -1,4 165-4 +0,7
№3 196 9 +°,8 196,9 -0,8 200, +08 202,2 +1,1 -1,1 209,5 +,1-1 -1,1
№4 177,8 +0044 ' -0,4 193, +16 187,6 +$ +3 3 196,1 -3,3
Анализ полученных данных позволил установить, что использование различных горючих газов не оказывает значительного влияния на показатели прочности сцепления поверхности с основой. Температуры, создаваемой вышеуказанными газами, достаточно для расплавления элементов, входящих в состав порошка. Небольшое превосходство прочности сцепления покрытий, полученных с помощью водородно-пропановой смеси, происходит из-за большей скорости горения ее по сравнению с ацетиленом. В результате чего частицы порошка приобретают большую кинетическую энергию, как следствие, взаимосвязь между расплавленными частицами усиливается и адгезия покрытия с основой повышается.
Работа выполнена в рамках проекта Министерства образования и науки Российской Федерации № 9.2952.2017/4.6 «Создание многофункционального лабораторно-методологического комплекса общеинженерной подготовки».
Список литературы
1. Зверев А.И., Астахов Е.А., Шаривкер С.Ю. Детонационные покрытия в машиностроении. М.: Судостроение, 1979. 232с.
2. Шорошоров М.Х., Харламов Ю.А. Физико-химические основы денотационно-газового напыления покрытий. М.: Наука, 1978. 234 с.
3. Шаривкер С.Ю., Астахов Е.А, Гайда А.П. Влияние скорости полета напыляемых частиц на прочность сцепления напыленных покрытий. Физика и химия обработки материалов. 1974. №5. С. 157 - 164.
274
4. Костиков В.И., Шестерин Ю.А. Плазменные покрытия. М.: Металлургия, 1978. 192 с.
5. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия, 1977. 345 с.
6. Дерягин Б.В., Кротова Н.Л., Смилга В.П. Адгезия твердых тел. М.: Наука, 1973. 279 с.
7. Яркович М.А. Разработка технологии изготовления ограночных дисков электроконтактным припеканием напыленных алмазосодержащих покрытий // Вопросы прочности и пластичности металлов: тезисы докладов XIII Конференции молодых ученых АН БССР. Минск: Наука и техника, 1983. С. 91 - 92.
8. Шмелева М.Н. Контролер работ по металлопокрытиям. М.: Машиностроение, 1980. 176 с.
9. Дорожкин Н.Н. Методические рекомендации по определению адгезионной прочности покрытий. Минск: Ураджай, 1985. 54 с.
10. Рыжков Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.
11. Хасуи А., Моричаки О. Наплавка и напыление / пер. с яп. О.Н. Попов; под ред. В.С. Степина, Н.Г. Шестеркина. М.: Машиностроение, 1985. 240 с.
12. Математическая теория планирования эксперимента / С.М. Ермаков, В.З. Бродский, А.А. Жиглявский, В.П. Козлов, М.Б. Малютов, В.Б. Мелас, Е.В. Седунов, В.В. Федоров; под ред. С.М. Ермакова. М.: Наука, 1983. 392 с.
Родичев Алексей Юрьевич, канд. техн. наук, доцент, научный сотрудник ПНИЛ «Моделирование гидромеханических систем», rodfox®, yandex, г и, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева,
Сытин Антон Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, satid@mnil.ou, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева,
Тюрин Валентин Олегович, аспирант, v7n7l@mnil.ou, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева
STUDY OF ADHESION STRENGTH
OF JOURNAL COATINGS OF ROTOR-BEARING NODES OF A TEST RIG
A.Y. Rxfichxv, А.У. Sytid, V.O. Tyuoid
Thx poxsxdt pnpxo cxdsifxos difference xf nfhxsixd xf pnoticlxs, cxntidgs ndf n fluid. Accxofidg tx thx poxsxdtxf fifOxoxntintixd nfhxsixd idtxonctixd xf pnoticlxs nnf cxntidgs tnkxs plncx fuoidg npplicntixd xf gns-thxomnl mxthxfs xf sponyidg nnf thxomnlfuming. Applicntixd xf thxomxmxchndicnl toxntmxdt xf poxlimidnoily fxomxf cxntidgs, x.g. npplixf with gns-thxomnl sponyidg, nllxws idcoxnsidg thx stoxdgth xf nfhxsixd bxtwxxd n jxuodnl cxntidg ndf n bnsx. Id xofxo tx qunlitntivxly xstimntx thx nfhxsixd stoxdgth n shxno mxthxf hns bxxd usxf.
275
The paper features an experiment on adhesion strength between samples of Steel 20 with different coatings, and a conclusion has been made on superiority of coatings obtained with hydrogen-propane mixture.
Key words: rotor-bearing node, coating, base, adhesion strength, adhesion, thermo-mechanical treatment, gas-thermal spraying, shear method, hydrogen-propane mixture.
Rodichev Alexei Yurievich, candidate of technical science, docent, researcher of PRL "Modeling of hydromechanical systems", rodfoxayandex.ru, Russia, Orel, Orel State University named after I.S. Turgenev,
Sytin Anton Valerievich, candidate of technical science, docent, sytinamail.ru, Russia, Orel, Orel State University named after I.S. Turgenev,
Tyurin Valentin Olegovich, postgraduate, v7a7l@mail.ru, Russia, Orel, Orel State University named after I.S. Turgenev
УДК 539.3; 534.26
ДИФРАКЦИЯ ПЛОСКОЙ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ НА УПРУГОМ ЦИЛИНДРЕ С НЕОДНОРОДНЫМ ПОКРЫТИЕМ, НАХОДЯЩИМСЯ ВБЛИЗИ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Л.А. Толоконников
Получено аналитическое решение задачи о дифракции плоской звуковой волны на упругом цилиндре с радиально-неоднородным упругим покрытием, находящимся вблизи плоской поверхности. На основе решения прямой задачи дифракции рассмотрена обратная задача об определении законов неоднородности покрытия, обеспечивающих наименьшее звукоотражение.
Ключевые слова: дифракция, звуковые волны, упругий цилиндр, неоднородное упругое покрытие, законы неоднородности.
Создание покрытий, обеспечивающих требуемые звукоотражающие свойства тел, является актуальной проблемой. Обычно покрытия применяются для повышения звукопоглощения и уменьшения отражения звука в определенном направлении. Существуют различные виды покрытий, наносимых на твердые тела. Например, звукопоглощающие покрытия из твердых пористых материалов с сообщающимися открытыми порами и из мягких демпфирующих материалов. В таких покрытиях происходит сильная диссипация энергии звуковых колебаний. К другому типу покрытий относятся резонаторные устройства, которые могут быть выполнены по-разному (например, в виде большого числа ячеек, примыкающих одна к другой и имеющих отверстия с наружной стороны). Такие покрытия
276
