6. Металлографическое исследование покрытий.

Металлографические исследования – это комплекс испытаний и аналитических мероприятий, направленный на изучение макроструктуры и микроструктуры металлов, исследование закономерностей образования структуры и зависимостей влияния структуры на механические, электрический и другие свойства металла (сплава).

К разряду металлографических исследований относятся также:

А) испытание на растяжение, сжатие;

Б) ударные испытания;

В) измерение твердости металлов и сплавов;

Г) определение микротвердости отдельных фаз.

Металлографический анализ внешних покрытий начинают с границ раздела, именно здесь происходит соединение материала покрытия с основным материалом изделия. В твердофазных покрытиях прослеживается межзеренное взаимодействие, диффузионные процессы, пластическая деформация и др. Более сложная граница раздела при формирование порошковых покрытий. Механизм и кинетика формообразования обусловлена появлением множества различных дефектов. Выявление, которых позволяет оценивать адгезионную прочность покрытий. Процесс формирования покрытий из расплавленного состояния или паровой фазы связан с зарождением и ростом кристаллов. Твердая поверхность границы раздела оказывает большое значение на образование центров кристаллизации и рост кристаллов. При формирование границы раздела возможны, несплавления, образования пустоты и другие дефекты, оказывающие отрицательное влияние на адгезионную прочность.

Металлографический анализ всего покрытия дает возможность выявить многие другие дефекты: несплошности, связи между частицами в порошковых покрытиях, межкристаллитные строения, наличие конденсированной фазы в атомарных покрытиях и др. Это позволяет оценивать качественные параметры покрытий и их эксплуатационные свойства. Для изготовления шлифов при металлографическом исследование сечение делают перпендикулярной к поверхности покрытия или под углом (косой шлиф).

7. Испытания на износостойкость покрытия.

М етод основан на действующей методике сравнительной оценки триботехнических характеристик (линейный и весовой износ, коэффициент трения, интенсивность изнашивания) стали и сплавов при сухом трении. Используются стандартные образцы, на рабочую поверхность которых наносится покрытие, износостойкость которого требуется определить. Удельная нагрузка в пределах 2,5—15 МПа при осевом усилии Р_max = 750 Н обеспечивается коэффициентом перекрытия образцов от 1 до 0,17 (в последнем случае кольцевой образец площадью 300 мм² обрабатывается так, что сплошная поверхность контакта заменяется тремя опорными поверхностями (рис. 1) общей площадью около 50 мм².

Рис. 1. Образцы на сухое трение

К материалу образцов при испытании покрытий особых требований не предъявляется. Поэтому могут использоваться годные образцы, на которых уже исследовались трибологические свойства материалов покрытий. Перед испытанием рабочая поверхность покрытия подвергается предварительной притирке на плите и приработке. Если по завершении приработки площадь контакта составляет менее 95% от номинальной площади образца, продолжительность приработки увеличивается. Количество образцов на одно испытание 3—5 пар.

Перед испытанием проводят наладку машины на выбранный режим и подготовку образцов, которые подвергают промывке, обезжириванию, сушке, взвешиванию, измерению. Полученные данные заносят в протокол. Образцы крепятся в держателях так, чтобы между ними обеспечивался необходимый зазор 0,2 мм при испытаниях при комнатной температуре и 1мм при испытаниях при повышенной температуре.

Установив по тахометру скорость вращения шпинделя (n = 250 об/мин) и обеспечив осевую нагрузку в соответствии с требованиями к испытанию (Р_max = 750 Н), проводят приработку образцов в течение 10 мин, фиксируя через каждые 3—5 мин значения момента трения и температуры в зоне трения (данные позволяют оценивать трибологию необработанных покрытий).

По окончании приработки образцы вновь промывают, высушивают, взвешивают, замеряют. Данные заносят в протокол. Испытания продолжаются в течение 1 ч при комнатной температуре. При этом фиксируются начало испытания (время), начальный момент трения и температура через каждые 10 мин (6 точек).

Для испытаний при повышенных температурах (по окончании приработки, взвешивания образцов и их закрепления в держателях) необходимо включить элетронагревательную печь, нагреть образцы до заданной температуры, а затем проводить испытания (как и при комнатной температуре).

В каждом опыте используется индивидуальная пара трения. Повторное испытание образцов с покрытиями не допускается.

Коэффициент трения определяется по формуле:

где М_тр — момент трения, кгс/см; Рос — осевая нагрузка, кгс; r — средний радиус рабочей поверхности образца, см.

Износ по массе:

где m_н — масса образца до испытания, г; m_к — масса образца после испытания, промывки и сушки, г.

Линейный износ в первом приближении определяется по формуле:

где h_н — высота образца до испытания, мм; h_к — высота образца после испытания, мм.

Весовой и линейный износ определяется как среднеарифметическое: для одноименных покрытий — по общему количеству образцов, а для разноименных покрытий — раздельно для каждого покрытия по количеству образцов в серии.

Интенсивность изнашивания определяется по формуле:

где Δh — линейный износ, мм; L — путь трения, км.

Линейный износ Δh, как правило, определяется не прямым измерением, а расчетом по формуле:

где ΔG—износ по массе, г; F_тр—площадь трения, см2; γ_п—плотность материала покрытия, г/см³.

8. Измерение твердости покрытия.

Метод замеров твердости покрытий по Роквеллу Испытуемую поверхность вдавливается алмазный конус угол при вершине алмазного конуса 120° (2,1 рад) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма). Перемещение фиксируется индика­тором часового типа, а значения твердости считываются непосредственно на шкале твердомера. Для того что­бы исключить влияние вибрации и тонкого поверхностного слоя, производится предварительное нагруженное усилием 100 Н (10 кгс).

При исследовании образцов с покрытиями метод Роквелла применяется в основном для термоупроченного основного металла. Твердость покрытий может быть найдена только в том случае, если их тол­щина не менее чем в восемь раз больше глубины проникновения индентора после снятия основной нагрузки.

Измерения твердости покрытий по Бринеллю. Твердость по Бринеллю (ИВ) определяют главным образом у заведомо мягкого основного металла: стали после отжига, нормализации, бронз, латуней и т. д. Суть метода заключается в том, что в поверхность образца вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм. Регламентируется время вы­держки под нафузкой и величина нафузки, причем последняя подбирается таким образом, чтобы ее отноше­ние к квадрату диаметра шарика было постоянным. Значение твердости определяется по диаметру отпечатка. оставшегося на поверхности образца после снятия нафузки. Для этого используют специальные таблицы. Диаметр отпечатка замеряют с помощью лупы Бринелля.

Измерения твердости покрытий по Виккерсу. Измерения твердости по Виккерсу проводятся при нафузках от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). В качестве индентора исполь­зуется четырехфанная алмазная пирамида с углом между противоположными гранями 2,38 рад (136°). Чис­ленное значение твердости по Виккерсу (HV) определяют по длине диагонали отпечатка, используя специаль­ные таблицы. При измерении твердости необходимо, чтобы минимальная толщина покрытия была больше диагонали отпечатка в 1,2 раза. Метод обычно применяют для материалов, у которых НВ>360, т. е. для термоупрочненных сталей, изно­состойких покрытий и др. Из всех методов замера твердости, по Викерсу наиболее совершенен, так как позво­ляет получать численные значения практически для любых материалов и в любых интервалах твердости.

Измерения микротвердости покрытий. Методом микротвердости находят твердость микрообъемов покрытия. Основное назначение метода – исследование твердости отдельных частиц, структурных составляющих, а также анизотропии твердости в различных участках покрытия.

Различают два метода испытаний: по восстановленному отпечатку (основной метод) и по не восста­новленному отпечатку (дополнительный метод). Результат испытания по первому методу характеризует со­противление материала пластической и упругой деформации при вдавливании алмазного наконечника стати­ческой нагрузкой в течение определенного времени. После снятия нагрузки и удаления наконечника измеряют параметры оставшегося отпечатка, по которым, пользуясь формулами и таблицами, определяют величину микротвердости.

Образцами для измерений микротвердости служат металлографические шлифы. Метод определения микротвердости отличается от метода Виккерса значительно меньшими прила­гаемыми нагрузками. К недостаткам метода замера микротвердости следует отнести высокий уровень погрешностей, осо­бенно возрастающих при испытании покрытий с применением малых нагрузок. Поэтому желательно, чтобы диагональ отпечатка не была менее 8—10 мкм.