Методы определения когезионной прочности покрытий

Лабораторная работа № 3

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ

И КОГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ПОКРЫТИЙ

Цель работы: ознакомиться с методами определения прочности сцепления и когезионной прочности газотермических покрытий. Освоить методику испытаний покрытий на прочность сцепления вытягиванием конического штифта и методику определения когезионной прочности покрытий при растяжении.

 

Общие сведения

 

При определении области использования того или иного метода напыления необходимо иметь представление об износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости, теплоизоляционных свойствах и ряде других характеристик покрытий. Для газо-термических способов нанесения покрытий используют самые разнообразные материалы: металлы, сплавы, керамику, пластмассы, обеспечивающие требуемую эксплуатационную надежность покрытий в различных условиях нагружения. Покрытия представляют собой тонкий слой на поверхности основы, поэтому для определения их теплофизических, электрических и физико-механических свойств разрабатываются специальные методики, существенным образом отличающиеся от методик определения аналогичных свойств компактных материалов.

Прочность сцепления является одним из основных критериев, позволяющих определить область применения и эксплуатационные характеристики покрытий. Сравнивая результаты различных испытаний покрытий на прочность сцепления, необходимо учитывать особенности методик, по которым были получены эти данные.

Испытания на прочность сцепления вытягиванием штифта. Образец для испытаний представляет собой основу 1 с центральным отверстием, в которое по скользящей посадке вставляется штифт 2 (рис. 3.1). Штифт устанавливается заподлицо с плоскостью основы. После сборки образца на верхнюю поверхность основы и торцевую поверхность штифта напыляют покрытие 3. При испытании основу 1 устанавливают на упоры 4, а штифт 2 вытягивают вниз. Отношение величины нагрузки, при которой происходит отрыв штифта от покрытия, к площади торцевой поверхности штифта характеризует прочность сцепления покрытия с основой.

Основным недостатком этого метода испытаний является то, что даже при высокой точности скользящей посадки между поверхностями штифта и основы образуется свободный участок покрытия, в котором кроме растягивающих напряжений действуют напряжения изгиба, приводящие к разрушению покрытия при более низких значениях нагрузки. Отделение покрытия от основы начинается по периметру зазора, после чего поверхность разрушения распространяется по переходной зоне.

 

 

Рис. 3.1. Схема испытания покрытия на прочность сцепления

вытягиванием штифта: 1 – основа; 2 – штифт; 3 – покрытие; 4 – упоры

 

Для определения прочности сцепления покрытия с цилиндрической поверхностью испытания проводят на образце, конструкция которого представлена на рис. 3.2. В цилиндре 1 сверлят отверстие, в которое по скользящей посадке устанавливают штифт 2. Торец штифта обрабатывают таким образом, чтобы образовалась единая цилиндрическая поверхность, на которую напыляют покрытие 3. Прочность сцепления покрытия в этом случае определяется как отношение нагрузки, при которой происходит отрыв штифта, к площади его поперечного сечения. Такую схему испытаний используют в тех случаях, когда необходимо определить прочность сцепления покрытия на деталях, имеющих форму тел вращения, например, на валах.

 

 

Рис. 3.2. Схема испытания покрытия на прочность сцепления с цилиндрическим образцом по штифтовой методике: 1 – основа; 2 – штифт; 3 – покрытие

 

Клеевая методика определения прочности сцепления. На предварительно обработанную торцевую поверхность цилиндрического образца (толщина покрытия должна быть одинаковой по всей торцевой поверхности образца) напыляют слой покрытия. К поверхности покрытия приклеивают цилиндрический образец, диаметр которого равен диаметру образца с покрытием, и проводят испытание на растяжение. Прочность сцепления при такой схеме испытания определяется как отношение разрушающей нагрузки к площади торцевой поверхности образца с покрытием.

Склеивание можно производить эпоксидными или полиэфирными смолами. При склеивании образцов необходимо обращать внимание на то, чтобы клей не проник через покрытие к основе. Если толщина покрытия превышает 0,04 мм, просачивания клея к основе не происходит.

В настоящее время не существует единой клеевой методики определения прочности сцепления покрытий. В большинстве случаев экспериментальные образцы с покрытиями имеют диаметр 10 - 40 мм. Данный метод испытаний применим только для покрытий, прочность сцепления которых с основой не превышает прочности клеевого соединения на разрыв. Типичная схема клеевой методики определения прочности сцепления газо-термических покрытий представлена на рис. 3.3, а. На напыленную поверхность основы 1 эпоксидной смолой приклеена бобышка 2. Вокруг бобышки после полимеризации смолы сделана проточка 3. Собранный таким образом образец вставляется в зажимное приспособление разрывной машины (рис. 3.3, б) и испытывается на растяжение. Прочность сцепления покрытия с основой определяется как отношение величины разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения бобышки.

 

 

Рис. 3.3. Схема испытания покрытия на прочность сцепления с использованием клея: 1 – основа; 2 – бобышка; 3 – проточка; 4 – клей; 5 – покрытие

 

Для определения прочности сцепления покрытий с основой разработаны специальные приспособления. Устройство одного из них показано на рис. 3.4. Перед проведением испытаний нижний торец цилиндра 1 приклеивают к поверхности напыленного покрытия эпоксидной или полиэфирной смолой холодного отверждения. При повороте ручки 2 вокруг шарнира 3 в направлении, указанном стрелкой, тяга 4 перемещается влево. Перемещение этой тяги передается через гидроцилиндр 5 тяге 6, которая поворачивается вокруг оси вращения против часовой стрелки. При этом под действием упора 7 рычаг 8 повернется относительно оси 3 вверх. Рычаг 8 состоит из двух параллельных пластин, между которыми расположена опора 9. Перемещение рычага 8 вверх передается цилиндру 1 через упор 10. При движении цилиндра 1 вверх усилие передается через клей и покрытие на изделие, опора 9 упирается в поверхность покрытия. В результате этого на поверхности покрытия под цилиндром 1 возникнут растягивающие напряжения, которые приведут к отделению покрытия от поверхности изделия. На рычаге 8 установлен упор 11, который обеспечивает движение цилиндра 1 перпендикулярно к поверхности покрытия. Усилие, возникающее при отрыве покрытия, можно определить по манометру 12, установленному на гидроцилиндре 5. В месте склейки по периметру цилиндра 1 в покрытии делается проточка, глубина которой равна толщине напыленного слоя.

 

 

Рис. 3.4. Устройство для определения

прочности сцепления покрытий по клеевой методике

 

При испытании покрытий на прочность сцепления по штифтовой и клеевой методикам наблюдаются различные виды разрушений – отслоение покрытий от основы (адгезионное разрушение); разрушение по слою покрытий (когезионное разрушение); адгезионно - когезионное (смешанное) разрушение. Характер разрушения покрытий определяется соотношением их когезионной и адгезионной прочности. Если когезионная прочность покрытия значительно превышает прочность его сцепления с основой, покрытие отделяется от основы. Если прочность сцепления покрытия с основой существенным образом превышает величину его когезионной прочности, разрушение произойдет по слою покрытия, и тонкий слой покрытия останется на поверхности основы. Когда прочность сцепления покрытий с основой равна их когезионной прочности, может проявиться любой из указанных видов разрушения.

Испытания покрытий на прочность сцепления при сдвиге. Определение прочности сцепления покрытий при сдвиге можно произвести на экспериментальном образце, схема которого представлена на рис. 3.5. К покрытию 1, напыленному на основу 2, приклеивают полосу 3. Полученный таким образом образец подвергают растяжению. Прочность сцепления покрытия с основой можно определить как отношение максимальной величины усилия, при котором происходит отделение покрытия от основы в результате сдвига, к площади, по которой произведено склеивание. Однако следует учитывать, что полученные результаты будут несколько отличаться от истинных значений, так как при таком методе испытаний в покрытии могут действовать не только усилия среза.

Прочность сцепления покрытий при сдвиге на цилиндрическом образце можно определить следующим образом. Покрытие 1 напыляют на центральную часть цилиндрического образца 2 (рис. 3.6). Образец без покрытия входит по скользящей посадке в матрицу 3, изготовленную из конструкционной стали твердостью HRC 58 - 60. При вдавливании образца с покрытием в матрицу под действием касательных напряжений происходит отрыв покрытия от основы. Величину прочности сцепления определяют как отношение разрушающей нагрузки к площади цилиндрической поверхности, на которую нанесено покрытие. Одинаковая толщина покрытия по всей длине образца обеспечивается его механической обработкой (шлифованием). Перед испытанием по краям покрытия прорезаются канавки 4 до поверхности основы (рис. 3.6).

 

 

Рис. 3.5. Схема испытания покрытий на прочность сцепления при сдвиге на плоском образце: 1 – покрытие; 2 – основа;

3 – полоса, приклеиваемая к основе с покрытием

 

 

Рис. 3.6. Схема определения прочности сцепления покрытий

при сдвиге на цилиндрическом образце

 

Испытания покрытий на прочность сцепления при изгибе. При испытаниях на изгиб прочность сцепления оценивают, сопоставляя величины прогиба напыленных образцов, при которых в покрытии появляются трещины. Оценку прочности сцепления можно проводить не только в момент появления трещин в покрытии, но и по месту их появления, а также по величине площади образца, на которой покрытие отслоилось от основы. Схема испытаний представлена на рис. 3.7.

Метод испытаний царапанием. Этот метод используют для определения прочности сцепления покрытий из мягких металлов (цинка, алюминия, свинца). На покрытии специальным резцом перпендикулярно к поверхности основы наносят две параллельные канавки таким образом, чтобы полностью прорезать покрытие. Прочность сцепления характеризуется расстоянием между этими канавками, при котором покрытие отделяется от основы.

 

 

Рис. 3.7. Схема испытания покрытий на прочность сцепления при изгибе

 

Испытания циклической ударной нагрузкой. При этом методе поверхность покрытия подвергают многократному воздействию падающего шарика или молоточка. Оценку прочности сцепления проводят по характеру отслаивания покрытия, а также по развитию отслоения в зависимости от числа ударов.

Испытания выдавливанием. В пластину с покрытием с обратной стороны вдавливают стальной шарик, что приводит к вспучиванию основного металла и покрытия. После деформации образца исследуют характер разрушения покрытия и оценивают площадь, на которой произошло отслоение напыленного слоя от основы.

 

Методы определения когезионной прочности покрытий

 

Для определения когезионной прочности покрытий наибольшее распространение получили испытания на растяжение и изгиб.

Определить когезионную прочность покрытий при растяжении можно с помощью образца, конструкция которого показана на рис. 3.8. Образец представляет собой стальную трубку 1 внешним диаметром 5,5 мм, длиной 127 мм и толщиной 1,0 мм, на концах которой имеются утолщения 2 с внутренней резьбой для закрепления образца в зажимах разрывной машины при проведении испытаний. На вращающийся образец напыляют покрытие 3 толщиной ~ 3,0 мм. Для получения одинаковой толщины покрытия по всей длине образца его протачивают или шлифуют. В центральной части образца делают проточку глубиной 0,05 мм для того, чтобы разрушение при растяжении произошло на этом участке. После этого трубку из образца удаляют и проводят испытание покрытия на когезионную прочность его растяжением в продольном направлении.

Клеевая методика определения когезионной прочности покрытий при растяжении заключается в следующем. На торец стержня 1 наносят тонкий слой легкоплавкого припоя 2 (рис. 3.9). На припой после пескоструйной обработки напыляют покрытие 3 (рис. 3.9, а). Затем напыленное покрытие отделяют, расплавляя припой (рис. 3.9, б). Полученный слой покрытия приклеивают к торцам стержней 4 и 5, концы которых фиксируются в закрепляющем приспособлении разрывной машины (рис. 3.9, в). Испытание на растяжение такого образца позволяет определить прочность материала покрытия в поперечном направлении при условии, что прочность клеевого соединения превышает прочность межчастичных связей в покрытии.

 

 

Рис. 3.8. Схема определения когезионной прочности покрытий

при растяжении в продольном направлении

 

 

Рис. 3.9. Схема определения когезионной прочности покрытий при растяжении с использованием клея: 1, 4, 5 – стержни; 2 – припой; 3 – покрытие; 6 – клей

 

Испытания покрытий на изгиб производятся на образцах прямоугольной формы. Образцы вырезаются из покрытий, отделенных от основы. Схема испытаний аналогична схеме, представленной на рис. 3.7.