Аналіз методів для кількісної оцінки сили адгезії металізованих покриттів

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

|

Аналіз методів для кількісної оцінки сили адгезії металізованих покриттів

На сьогоднішній день добре відомо, що більша частина промислового обладнання, яке перебуває в експлуатації, допрацьовує свій ресурс або вже його вичерпало. Через високу вартість нових комплектуючих заміна зношеного обладнання є досить проблематичним і дорогим процесом. З метою забезпечення подальшої працездатності обладнання в більшості випадків проводиться його ремонт, який полягає у відновленні вихідних розмірів, які порушуються внаслідок зношування. Більшість ремонтних операцій полягає в нарощуванні поверхонь, особливо тих, які працюють у парах тертя (опори валів, підшипники ковзання і т.п.). Для реа-лізації ремонтних процесів використовують термічне напилення, наплавлення, гальванічне осадження і т.д. Кожен з цих методів має свої переваги і недоліки, що проявляються у властивостях одержаних покриттів і термічному впливі на основний метал. Найоптимальнішим з точки зору найменшого термічного впливу, який викликає структурні зміни в металі, найменшої тривалості процесу відновлення і якості одержаного шару є термічне напилення (електрометалізаційне напилення).

Електрометалізаційне напилення є одним зі способів нанесення металевих покриттів на металеві і неметалеві поверхні. Його застосовують переважно для одержання цинкових і алюмінієвих антикорозійних покриттів, а також для нанесення зносотривких та відновлювальних покриттів. Суть процесу металізаційного напилення полягає в тому, що розплавлений електричною дугою рідкий метал струменем стисненого газу (найчастіше повітря) розпилюється на дрібні частинки, які з великою швидкістю в розплавленому або пластичному стані осідають на відповідно підготовлену поверхню, деформуються під час удару, приварюються або прилипають до поверхні, формуючи покриття, яке має структуру, зображену на рис. 1.

Характерною особливістю цих покриттів є те, що вони мають високу пористість, значну кількість оксидних тугоплавких включень, а також відсутня чітка межа розділу між основою і покриттям. Адгезія цих покриттів залежить від їх товщини: найбільша сила адгезії спостерігається за товщини покриття до ~ 0,3мм, а далі вона зменшується.

На сьогоднішній день існує значна кількість технологічних процесів електродугової металізації, які дають змогу наносити покриття із заданими якісними показниками (мікротвердість, зносостійкість, корозійна стійкість і т.д.). Досить важливим параметром покриттів є їх сила зчеплення з основою, оскільки вона визначає здатність виробу виконувати свої функції. Тому цей показник необхідно контролювати, оскільки внаслідок поганого зчеплення покриття з основою втрачається позитивний ефект від високої корозійної стійкості, зносостійкості, трибологічних властивостей покриттів тощо. Контроль адгезії як штатна кінцева технологічна операція є досить актуальним завданням особливо для процесу відновлення зношених поверхонь. Це пояснюється тим, що в переважній більшості випадків контроль адгезії обмежується проведенням досліджень на контрольних зразках, що робить неможливим 100%-й контроль відновлених виробів та деталей. З огляду на вказані обставини, постала проблема проведення контролю сили адгезії неруйнівними методами. Метою статті є аналіз існуючих неруйнівних методів контролю напилених покриттів та пошук шляхів їх застосування для розв'язання задачі контролю сили адгезії напиленого шару до основи.

Рисунок 1 - Структура напиленого шару

Рисунок 2 - Методи контролю адгезії напилених покриттів

Для контролю адгезії пропонуються руйнівні і неруйнівні методи (рис. 2). На сьогодні як в Україні, так і за її межами використовуються здебільшого способи і технічні засоби, що базуються на руйнівних методах контролю: відривання покриття від основи з використанням клеєних з'єднань, дряпання і сколювання покриттів. Для визначення зусилля відриву покриття від поверхні (це зусилля характеризує величину адгезії) використовують розривні машини і спеціальні прилади [1]. У роботі [2] пропонується використовувати покритий епоксидною смолою інденторно-протяжний пристрій для проведення вимірювань адгезії кінетично- і термічнонапилених покриттів для систем метал-метал і метал-кераміка. Для тестування використовують чотири методи. Перший метод передбачає натискання на поверхню інденторно-протяжного інструменту без використання спеціального утримуючого барабана. Другий метод передбачає використання утримуючого барабана. У третьому методі покриття обробляється електроерозійним верстатом для отримання плями на поверхні дископодібної форми з діаметром, ідентичним до діаметра епоксидно-покритого індентора (шипа). Четвертий метод передбачає заміну електроерозійного оброблення контрольованим різанням дисковим інструментом з використанням карбідно-кремнієвої суспензії для формування дископодібної плями в покритті. Перші два методи дають відносно достовірне визначення адгезії за умов, що товщина покриття менша, ніж 2,5% від діаметра шипа. Для товстіших покриттів рекомендуються третій і четвертий методи.

Наведені методи мають місце під час контролю покриттів з величиною адгезії до 70 МПа. Сила адгезії понад 70 МПа не може бути визначеною звичайним методом з використанням клеєвої епоксидної смоли або протяжним індентором. Для визначення адгезії величиною понад 70 МПа часто використовується метод, який полягає у випробуванні на розтяг спеці-ально виготовленого напиленого зразка [3].

До цієї групи методів контролю відноситься також метод, який полягає у розміщенні плівки у фокусі звукового ерозійного потоку [4]. Час, затрачений на утворення ерозійної плями, є параметром вимірювання сили адгезії. Відсутність ерозії спостерігається тоді, коли амплітуда звукового тиску сягає значення, нижчого за порогове. За тиску надпорогового значення інтенсивність кавітації збільшується, а час ерозії зменшується. За кривою залежності часу ерозії від амплітуди тиску визначають зменшення часу залежно від тиску озвучування. Перетинання кривої тиску з віссю координат відповідає миттєвій ерозії поверхневого шару, а звідси - силі адгезії.

Аналіз вказаних вище методів свідчить, що вони є досить наближеними і неточними, а тому їх доцільно використати лише для оцінки придатності покриттів у тих чи інших технологічних процесах відновлення деталей на контрольних зразках. На реальних деталях ці методи не можна використовувати, оскільки вони:

а) є руйнівними;

б) є технічно і економічно недоцільними.

Серед неруйнівних методів контролю адгезії напилених покриттів можна виділити такі.

Метод лазерного розщеплення, який використовується для вимірювання сили адгезії покриттів карбіду вольфраму із суперсплавними основами [5]. Його суть полягає використанні високопотужних імпульсних лазерів для збудження ударних хвиль в сталевих зразках, покритих карбідом вольфраму. В умовах опромінення енергія хвиль є досить великою, внаслідок чого відбувається (згідно з розрахунками) руйнування зв'язку на межі розділу напилене покриття - основа через появу значних розтягуючих напружень. Результати експерименту аналізуються з використанням числового моделювання появи напружень пластичної деформації на межі розділу і їх залежності від інтенсивності пульсацій лазера потужністю до 600 ГВт/см² з тривалістю 1 нс і 3 нс під прямим випромінюванням і 23 нс з водяною ізоляцією. Внаслідок затухання ударних хвиль під час проходження через основу значна зміна інтенсивності падаючого випромінювання призводить до незначної зміни розтягуючих напружень. Це дає змогу точно визначити граничне значення сили з'єднання.

Визначення адгезії на межі покриття - основа лазерним ультразвуком. Певним чином, щоб продемонструвати цей метод, використовується повністю безконтактна система, яка поєднує лазерну генерацію і виявлення ультразвукових хвиль [6]. Використовується наносекундно пульсуючий лазер для опромінення покриттів, у той час як нормальне зміщення тилової поверхні металевої основи детектується в епіцентрі лазерним гетеродинним інтерферометром. Зростання енергії лазерного пучка, ге-неровані форми акустичних хвиль корелюють з термопружним режимом роботи, руйнуванням зони контакту покриття - основа і в кінцевому результаті видаленням покриття. Генерація ультразвукових сигналів у термопружному режимі роботи охарактеризована двонаправленою моделлю, зручною для розрахунку зовнішніх і внутрішніх параметрів механічного зміщення, яке залежить від часу. Значення, визначені для так званої фактичної адгезії, відповідають тим, що визначені з допомогою класичних контактних методів (визначення адгезії розтягом, дряпанням, згинаючий тест). Дана робота демонструє придатність цього кількісного і безконтактного методу для визначення адгезії на межі покриття - основа.

Тепловий метод базується на вимірюванні теплової радіації і теплопровідності покриття залежно від його фізико-хімічних характеристик. Тепловий потік, що генерується нагрівачем, розповсюджується в контрольованій деталі з швидкістю, яка залежить від товщини і теплопровідних властивостей матеріалу покриття, від властивостей товщини підкладки і величини адгезії покриття. Схема методу зображена на рис. 3.

1 - нагрівач, 2 - покриття, 3 - основа, 4 - система сканування, 5 - приймач випромінювання, 6 - блок підсилення і оброблення сигналу, 7 - блок індикації

Рисунок 3 - Схема теплового методу визначення якості покриття

Температурний перепад у фіксованих точках контрольованої деталі характеризує товщину покриття. Окрім оцінки товщини покриття, тепловий метод дає змогу успішно контролювати й інші показники якості покриття шляхом записування термограми.

Для контролю покриттів пропонується ви-користовувати неруйнівний вихрострумовий метод визначення товщини покриттів, який за певного підбору характеристик дає змогу оцінити величину адгезії. Властивість вихрових струмів, які знаходяться на поверхні, здійснювати вплив на первинний струм котушки використовується для пошуку тріщин, включень, вимірювання товщини металевого шару.

Рисунок 4 - Схема вихрострумового методу

Цей метод універсальний і застосовується для різних поєднань матеріалів, оскільки значення електричної провідності за певних комбінацій матеріалу покриття і основи або їх магнітні властивості, як правило, досить різні [8]. Метод найчастіше застосовується для таких поєднань матеріалів:

- струмонепровідні покриття на електропровідному неферомагнітному матеріалі (діапазон вимірюваних товщин 0 - 500 мкм);

- електропровідний неферомагнітний шар на струмонепровідній основі (можна вимірювати товщини від 1 мкм до кількох мм);

- електропровідне неферомагнітне покриття на електропровідній основі (глибина проникнення вихрових струмів повинна перевищувати товщину покриття, а електрична провідність матеріалу покриття і основи повинні бути досить різними).

Останнє поєднання матеріалів відповідає металізаційним покриттям. Це пояснюється пористістю напиленого шару з електричною провідністю, яка є значно меншою від металевої основи. Цей факт є достатньою умовою при виборі даного методу для контролю адгезії. Про можливість застосування того чи іншого приладу можна судити за величиною коефіцієнта

, (1)

де:м₁ - магнітна проникність матеріалу покриття;

м₂ - магнітна проникність матеріалу основи;

у₁ - питома електрична провідність матеріалу покриття;

у₂ - питома електрична провідність матеріалу основи.

Метод вихрових струмів може бути рекомендований в тому випадку, коли коефіцієнт т перебуває в межах т>1,4 або т<0,6. Однак це необхідна, але недостатня умова для випробування покриттів електромагнітними методами.

Схема вихрострумового методу зображена на рис. 4.

В основі методу лежить залежність інтенсивності і розподілу вихрових струмів в об'єкті контролю від його основних параметрів і від взаємного розміщення вихрострумового перетворювача (ВСП) і об'єкта. Змінний струм, що діє в котушках ВСП, створює електромагнітне поле, яке збуджує вихрові струми в електропровідному об'єкті контролю. Густина вихрових струмів максимальна на поверхні об'єкта в контурі, діаметр якого близький до діаметра збуджуючої обмотки, і зменшується до нуля на осі ВСП і за r. Густина вихрових струмів зменшується також і з глибиною.

Вихідною характеристикою накладного перетворювача можна вважати залежність будь-якої з електричних величин (амплітуди, фази, повного опору або його складових, частоти автогенератора з перетворювачем і т.д.) від параметрів виробу. Універсальною характеристикою, придатною для аналізу більшості варіантів контролю і зручною для переводу на будь-яку електричну величину, яка несе корисну інформацію, є залежність величини електрорушійної сили (ЕРС) від параметрів виробу. Якщо питома електрична провідність покриття менша за питому електричну провідність основи (слабкопровідне покриття, наприклад, напилений металокерамічний зносостійкий шар), то величина ЕРС зменшується внаслідок збільшення товщини покриття і тільки в області значних товщин ЕРС може трохи збільшуватись. Зі збільшенням товщини покриття модуль ЕРС зростає за виключенням області великих товщин, де модуль дещо знижується. Вказану закономірність можна застосовувати для контролю рівномірності покриття: зростання модуля ЕРС свідчитиме про збільшення товщини покриття, яке означає потовщення внаслідок зазора між покриттям і основою, або наявність надлишку нанесеного матеріалу. Кількісне визначення величини адгезії металізованих покриттів можна звести до підбору частоти вхідної ЕРС і величину зміни модуля цієї ЕРС пов'язати зі зміною величини адгезії, яку можна визначити руйнівними методами на контрольних зразках.

Для наближеної оцінки глибини проникнення електромагнітного поля накладного ВСП в об'єкт контролю можна скористатися формулою глибини проникнення д (м) плоскої хвилі

, (2)

де:щ - кругова частота струму збудження ВСП;

м_а - абсолютна магнітна проникність, Гн/м;

у - питома електрична провідність матеріалу об'єкта контролю, См/м.

З формули випливає, що зі збільшенням частоти буде змінюватись глибина проникнення (зменшення частоти призводить до зростання глибини проникнення, за подальшого зниження частоти глибина буде відповідати товщині покриття і таким чином дійде до основи, в якої електропровідність суттєво вища, про що сигналізуватиме різка зміна рівня сигналу з ВСП).

Область застосування - виключно провідні неферомагнітні матеріали.

Метод термографії дає змогу встановити розподіл температури на поверхні зразка у вигляді інфрачервоного зображення. Аналіз розподілу температури дає можливість знайти дефекти в покриттях у вигляді тріщин, пор і погане зчеплення матеріалу покриття з підкладкою. Особливо ефективний цей метод для матеріалів з низькою теплопровідністю, оскільки в цьому випадку порівняно повільно досягається теплова рівновага. Для виявлення дефектів зразок нагрівають, і, досягнувши заданої температури, проводять фіксацію розподілу сталої температури або фіксацію зміни температури в процесі нагрівання і охолодження. Переважно фіксація температури здійснюється з чутливістю 0,1...0,2°С. Для досягнення кращого виявлення дефектів необхідно забезпечити рівномірне прогрівання зразків, щоб виключити вплив нерівномірності нагрівання на результати випробувань. Останні можна спостерігати на екрані тепловізора, з якого зображення можна переписати в пам'ять обчислювальної машини або сфотографувати.

Для контролю якості з'єднань, одержаних адгезійним способом, і зварних з'єднань можна використовувати інфрачервону термографію (ІЧТ) [7]. Цим способом можна виявити газові включення, побічні включення, а також зони поганого з'єднання двох поверхонь, які можуть призвести до погіршення характеристик з'єд-нань і зменшення їх довговічності.

Як приклад, було проведено термографію двох адгезійно з'єднаних алюмінієвих пластин товщиною 1 мм. На зображенні чітко виражена зона тонкого шару адгезійного матеріалу, яка вказує на недостатню його кількість. Ця зона має значно світліший (червоно-жовтий) фон забарвлення, ніж загальний фон, який має яскраво червоне забарвлення. У місці дуже поганого з'єднання (практично відсутня адгезія між пластинами і клеєвим матеріалом) спостерігається світла зона світло-жовтого забарвлення на червоному фоні.

Синхронізовану термографію зручно використовувати для виявлення неоднорідностей структури, яка зумовлена появою газових пор або включень побічних матеріалів у зварних з'єднаннях, а також для оцінки збільшення зони термічного впливу (ЗТВ). Цю зону можна кількісно оцінити. Було досліджено зварне з'єд-нання різних матеріалів лазером у середовищі інертного газу (в даному випадку аргон). Зокрема, оцінено локальну зміну фазового кута порівняно зі зміною твердості (за Вікерсом), і виявлено, що локальне збільшення твердості відповідає збільшенню фазового кута.

На термографічному зображенні зварного з'єднання спостерігається різниця кольорів (відповідно до неоднаковості фазових кутів), яка відповідає двом різним матеріалам, а також зварному шву. Зона термічного впливу є дуже маленькою (світлий фон, який повторює форму зварного з'єднання) і знаходиться дуже близько до зварного шва, що підтверджується вимірюванням мікротвердості.

З проведеного аналізу випливає, що кількісна оцінка величини адгезії напилених покриттів неруйнівними методами є доволі складним завданням. Найбільш інформативними результатами з усіх проаналізованих вище методів є результати контролю, одержані вихрострумовим і термографічним методами. Однак термографічний метод на даному етапі дає тільки якісну оцінку напиленого покриття. Для визначення домінантності одного з цих методів за інформативністю результатів контролю доцільно порівняти дослідження цих методів.

Література

адгезія електрометалізаційний напилення покриття

1. Електродугові відновні та захисні покриття / В.І.Похмурський, М.М.Студент, В.М.Довгуник, Г.В.Похмурська, І.Й.Сидорак. - Львів: НАНУ ФМІ ім.Г.В.Карпенка, 2005. - 192 с.

2. Adhesion measurement procedures for kinetic and thermal spray coatings using a stud-pull tester // Elmoursi A.A.; Patel N.

3. Properties of coatings and applications of low pressure plasma spray. Koichi Takeda, Michihisa Ito and Sunao Takeuchi. Pure & Appl. Chem., Vol. 62, No. 9, pp. 1772-1782,1990.

4. United States Patent. Thin-film adhesion testing method and apparatus. Sameer I. Madanshetty. - US 6,981,408 B1.

5. Application of the laser spallation technique to the measurement of the adhesion strength of tungsten carbide coatings on superalloy substrates // M. Boustie - E. Auroux - J.-P. Romain.

6. Evaluation of the coating-substrate adhesion by laser-ultrasonics: Modeling and experiments. Gaйlle Rosa and Roland Oltra. Journal of Applied Physics - May 15, 2002 - Volume 91, Issue 10, pp. 6744-6753.

7. Recent advances in the use of infrared thermography. Carosena Meola and Giovanni M. Carlomagno. Meas. Sci. Technol. 15 (2004) R27-R58.

8. Дорофеев А.Л., Любашев Г.Ф., Останин Ю.Я. Измерения толщины покрытий с помощью вихревых токов. - М.: Машиностроение, 1975. - 64 с.

9. Пиборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник: В 2-х кн. Кн. 2 / Под ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru