Розподіл технологічних залишкових напруг по товщині детонаційних покрити

3.9 Розподіл технологічних залишкових напруг по товщині детонаційних покрити

У результаті досліджень були визначені й проаналізовані розподіли залишкових напруг по товщині композиційних покрити на основі нікелю й заліза. Відповідно до методики іспитів для побудови однієї кривій розподілу напруг по глибині покриття було досліджено по трьом зразка, тому що розкид даних усередині однієї партії в значній мірі залежить від напляємих матеріалів. Найменший розкид при іспитах мали зразки з композиційним покриттям на основі карбідів, а найбільший розкид усередині партії відповідав покриттям на основі нікелю й заліза. Природно допустити, що менший розкид напруг усередині партії покрити на основі карбідів обумовлений протіканням активних дифузійних процесів у цій композиції, яка підтверджується результатами структурних і фазових досліджень. Відповідно для композицій на основі нікелю й заліза навпаки, їхні матеріали найбільш чутливі до технологічних параметрів детонаційно-газовому напилюванню. Для детонаційних покрити на основі заліза й нікелю залежність залишкових напруг характеризується високими значеннями, які розтягують, у результаті утвору нових структурних фаз, які відрізняються питомими обсягами, що й приводить до виникнення напруженого стану областей, зайнятих знову утворювалися й пов'язаними з ними фазами. Напруги, що виникають у результаті зміни обсягів фаз, градієнтів концентрації елемента, який дифундує, можуть також досягати - величин, при яких з'являються пластичні або деформації тріщини . Необхідно підкреслити, що в більшості випадків експлуатації варто прагнути до напруг стиску в покриттях як найбільш безпечним. На рис. 3.9.1 представлені графіки розподілу залишкових напруг покрити на основі заліза. Максимум залишкових напруг небагато зміщений від поверхні усередину покриття. Зі збільшенням товщини покриття величина залишкових напруг росте. Зі збільшенням глибини залягання залишкових напруг їх величини зменшуються.

Рис. 3.9.1. Розподіл залишкових напруг у покриттях на основі заліза залежно від товщини:

1 - 100 мкм; 2 - 200 мкм; 3 - 300 мкм.

Зразки, напилені композиційним порошком на основі нікелю, також досліджувалися залежно від товщини покрити, що становила 200, 300, 400 і 500 мкм. Іспиту цієї партії зразків показало, що в зразках при всій товщині покрити спостерігається залишкова напруга, що розтягують.

Як випливає з графіків характеру розподілу залишкових напруг, максимум залишкових напруг перебуває на деякій відстані (40-80 мкм) від поверхні. Зі збільшенням глибини їх залягання, після максимуму, різко падає. Поблизу основи зразка величина напруг сходить на немає. Глибина залягання, в основному, відповідає товщині покриття.

Таким чином, величина залишкових напруг значно росте при збільшенні товщини напилюваних покрить.

3.9.1 Вплив термічної обробки на величину й розподіл залишкових напруг у покриттях

Однієї з найбільш доступних і ефективних в умовах виробництва технологічних операцій для зняття залишкових напруг є термічна обробка - відпалу, у результаті якого змінюються величина й характер розподілу залишкових напруг, Зміна в розподілі тем помітніше, чим вище температура відпалу. Відпал досліджуваної партії зразків проводився при температурах 300, 400 і 600 ^оC.

Характер розподілу залишкових напруг після відпалу при температурі 300 ^оC представлений на малюнку. Величина напруг помітно зменшилася, особливо різко зменшуються напруги в покриттях більших товщин. Крім того, у покриттях малих товщин зі збільшенням глибини залягання залишкові напруги, що розтягують, переходять у стискаючі. Глибина залягання залишкових напруг також в основному відповідає товщині покриття.

Характер розподілу залишкових напруг після відпалу при температурі 400 ^оC змінюється ще більше (малий.5.6). У цьому випадку величина напруг продовжує зменшуватися й при товщинах покрить менш 0,5 мм вони переходять у стискаючі. Величина стискаючих напруг тим більше, чим менше товщина покриття. Зі збільшенням глибини залягання величини напруг зменшуються й поблизу поверхні сходять на немає.

Рис. 3.9.1.2. Розподіл напруг після отжига (400 ^оС). Товщина: 1-200 мкм; 2-300 мкм; 3-400 мкм; 4-500 мкм.

Підвищення температури отжига до 600 ºС приводить до наступного перерозподілу залишкових напруг у бік зменшення їх абсолютної величини. Це презентовано на рис. 3.9.1.3. Зменшилися залишкові напруги, що розтягують, при більших товщинах, зменшилися майже вдвічі стискаючі напруги. Таким чином, при цій температурі відпалу величина напруг у порівнянні з не відпаленими зразками набагато нижче.

Рис. 3.9.1.3. Розподіл напруга після отжига (6ОО ?С). Товщина: 1-200 мкм; 2-300 мкм; 3-400 мкм; 4-500 мкм.

Знак залишкових напруга багато в чому залежить від з'єднання коефіцієнтів термічного розширення матеріалів основи й покриття [206]. Коли коефіцієнт термічного розширення напилюваного матеріалу рівняється або більше коефіцієнта термічного розширення основи, у напиленому покритті виникають залишкові напруги, що розтягують. В інших випадках можуть виникати стискаючі залишкові напруги. При напилюванні покриття на основі заліза зразок з вуглецевої конструкційної сталі 45 різниця в коефіцієнтах термічного розширення незначно. Ніж тонше шар покриття, тем менше різниця в прилягаючих шарах покриття й основи. Отже, зі збільшенням товщини напилюваного шару буде, в основному, виявлятися різниця в коефіцієнтах термічного розширення в розмірах нагрітих і охолоджених часток і у вже напилюваних шарах, що значно остигають. Тому зі збільшенням товщини покриття залишкові напруги ростуть. Це погодиться з розподілом залишкових напруг. Термічна обробка зразків при різних температурах приводить до перерозподілу залишкових напруг. Зі збільшенням температури відпалу характер розподілу залишкових напруг змінюється. Спостерігається помітне зменшення залишкових напруг спочатку в більш товстих покриттях, а потім і в більш тонких покриттях, коли напруги із що розтягують переходять у стискаючі. Як відомо, будучи важливою характеристикою стану поверхневих шарів деталей машин, внутрішні напруження розтягування знижують тимчасовий опір, а напруги стиску можуть збільшувати втомну міцність, аналогічне явище внутрішні напруження роблять на границю витривалості. Таким чином, на підставі проведених іспитів можна зробити висновок про те, що в поверхневих шарах, підданих зміцненню шляхом детонаційно-газового напилення, виникають залишкові напруги, що по своїй абсолютній величині не небезпечні для поверхневого шару з погляду його цілісності і якості. Оптимальна товщина напилюваних детонаційних покрить, відповідає максимальної зносостійкості, становить 180-250 мкм.

При збільшенні товщини напилюваних покрить росту залишкових напруг можна значно знизити шляхом термічної обробки, у процесі якої напруги, що розтягують, переходять у стискаючих, що позитивно відбивається на експлуатаційний характеристиках покрити.

Розділ 4. Охорона праці