Способ испытания покрытий на абразивное изнашивание

 

Изобретение относится к способам испытания покрытий на абразивное изнашивание . Цель изобретения - повышение производительности при проведении серийных испытаний. Формируют образец из эталонного материала путем нанесения на его рабочую приработанную поверхность материала покрытия, прирабатывают поверхность покрытия и изнашивают его путем истирания.по абразивной поверхности на глубину, превышающую толщину покрытия . Изнашивание эталонного материала осуществляют после изнашивания покрытия , взвешивают и определяют изменение масс материалов после приработки и после изнашивания по их соотношению судят об износостойкости материала покрытия. При этом на образце формируют по меньшей мере две непересекающиеся рабочие поверхности , а после изнашивания покрытия определяют остаточную массу образца и вновь повторяют операции до достижения образцом минимально допустимой длины. затем производят истирание эталонного материала , взвешивают его и определяют износостойкость . 1 ил. сл Vonw

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОциАлистических

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 3/56

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ п э/Ъ Зи бэ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4906636/28 (22) 30.01.91 (46) 30.11.92. Бюл. М 44 (71) Физико-технический институт со специальным конструкторским бюро и опытным производством Уральского отделения АН

СССР (72) В.B.Tàðàcoa (56) Хрущев M.М., Бабичев M.À. Абразивное изнашивание. М,: 1970, с. 108.

Авторское свидетельство СССР

% 1377669, кл. G 01 N 3/56, 1985. (54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ПОКРЫТИЙ НА

АБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ (57) Изобретение относи ся к способам испытания покрытий на абразивное изнашивание. Цель изобретения — повышение производительности при проведении серийных испытаний. Формируют образец иэ эталонного материала путем нанесения на

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в трибологии при исследованиях на износостойкость покрытий преимущественно при абразивном изнашивании.

Известен способ, позволяющий проводить испытания на абразивное изнашивание различных материалов. заключающийся в том, что производят последовательное изнашивание испытуемого и изнашиваемого образцов по абразивной поверхности, Изношенные образцы измеряют или взвешивают, а относительную износостойкость 8 рассчитывают по известной зави<»5U 1778621 Al

его рабочую приработанную поверхность материала покрытия, прирабатывают по. верхность покрытия и изнашивают его путем истирания-по абразивной поверхности на глубину, превышающую толщину покрытия. Изнашивание эталонного материала осуществляют после изнашивания покрытия, взвешивают и определяют изменение масс материалов после приработки и после изнашивания по их соотношению судят об износостойкости материала покрытия. При этом на образце формируют по меньшей мере две непересекающиеся рабочие поверхности, а после изнашивания покрытия определяют, остаточную массу образца и вновь повторяют операции до достижения образцом минимально допустимой длины, затем производят истирание эталонного материала, взвешивают его и определяют износостойкость. 1 ил. симости, которая для случая измерения массопотери будет иметь вид где вэ, еи — абсолютный износ па массе эталонного и испытуемого образцов соответственно, г; р,уЪ вЂ” плотности эталонного и испытуемого материалов соответственно, г/мм ;

Зэ, 5и — пути трения при изнашивании эталонного и испытуемого образцов соответственно, мм;

1778621

d3,d< — диаметры эталонного и испытуемого образцов соответственно, мм.

Недостатком его является необходимость использования при оценке износостойкости покрытий по крайней мере двух 5 образцов, что приводит к увеличению временных и материальных затрат. Способ непригоден для испытаний в случае, когда величина износа превышает толщину испытуемого покрытия, т,к. расчетная зави- 10 симость теряет физический смысл.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ испытания покрытий на абразивное изна- 15 шивание, заключающийся в том, что формируют образец из эталонного материала прирабатывают его поверхность, наносят на нее покрытие с последующей приработкой и изнашивают покрытие путем истира- 20 ния по абразивному материалу на глубину, превышающую толщину покрытия, определяют изменение масс материалов после приработки и изнашивания и по их соотношению судят об износостойкости материа- 25 ла покрытия, рассчитывая е по формуле

S1 п 1 m2 S2 п о п 1

Е

S2 mnps

30 где я — относительная износостойкость покрытия;

mo, m>. тг — массы образца после приработки эталонного материала перед нанесением покрытия после изнашивания З5 испытуемого покрытия и после изнашивания эталонного материала соответственно, г; вл — масса материала испытуемого покрытия после приработки, r; 40

S> и Sz — пути трения при изнашивании покрытия и эталонного материала соответственно, мм; р и рп — плотности эталонного материала и материала испытуемого покрытия со- 45 ответственно, гlммз.

Недостатком известного способа является необходимость многократного взвешивания и приработки рабочей поверхности 50 экспериментального образца за цикл испытаний, что повышает трудоемкость способа, Особенно это сказывается при проведении серийных испытаний на больших партиях образцов, когда предполагается сравни- 55 тельное исследование различных покрытий, либо одного покрытия, полученного при различных технологических режимах (отработка технологии), Целью изобретения является повышение производительности при проведении серийных испытаний.

Укаэанная цель достигается тем, что в способе испытания покрытий на абразивное изнашивание, заключающемся в том, что формируют образец из эталонного материала путем нанесения на его рабочую приработанную поверхность материала покрытия, прирабатывают поверхность покрытия и изнашивают его путем истирания по абразивной поверхности на глубину, превышающую толщину покрытия, изнашивание эталонного материала осуществляют после изнашивания покрытия, взвешивают и определяют изменение масс материалов после приработки и после изнашивания и по их соотношению судят об износостойкости материала покрытия, при этом, на образце формируют по меньшей мере две непересекающиеся рабочие поверхности, а после изнашивания покрытия определяют остаточную массу образца и снова повторяют операции до достижения образцом минимально допустимой длины, затем производят истирание эталонного материала, взвешивают его и оп ределяют износостойкость по формуле

st (Mk — q — Mk ) — sq (Mpi — мц — пц )

8ix где 8 l — относительная износостойкость i-го покрытия;

mi — масса материала i-го испытуемого покрытия после приработки, г;

М -1 — масса эталонного образца после изнашивания последнего покрытия, г;

Mk — остаточная (и редел ь но допустимая) масса эталонного образца после его изна-. шивания, r;

Мок Ми — массы образца до и после истирания i-го испытуемого покрытия соответственно, r; . $1, S3 — пути трения при изнашивании

i-го испытуемого покрытия и эталонного материала соответственно, мм; р ир — плотности эталонного материала и материала i-ro испытуемого покрытия соответственно, гlмм;

A>, Ai — площади трения эталонного и испытуемого материала, мм .

На чертеже показан испытуемый образец на отдельных этапах осуществления способа: а) исходный образец, выполненный в виде стержня с двумя приработанными рабочими поверхностями {торцами); б) тот 1778621 же образец с нанесенным на его рабочую поверхность первым испытуемым покрытием после приработки; в) образец после нанесения и приработки второго испытуемого покрытия; г) образец после изнашивания первого покрытия, при котором толщина изношенного слоя превышает толщину испытуемого покрытия; д) образец после изнашивания второго покрытия, при котором толщина изношенного слоя превышает толщину последнего из испытуемых покрытий; е) тот же образец после изнашивания контрольного участка эталонного материала.

Способ испытания покрытий на абразивное изнашивание включает следующие операции;

Изготавливают наборный многоместный или монолитный образец из эталонного материала, по отношению к которому требуется определить относительную износостойкость покрытий.

На образце формируют непересекающиеся рабочие поверхности, которые подвергают приработке путем воздействия абразивным истирающим элементом B условиях, идентичных условиям испытаний, Причем число формируемых рабочих поверхностей на образце предусматривается не меньше двух. После приработки образец взвешивают и фиксируют его исходную массу (а), Последовательно наносят на приработанные рабочие поверхности эталонного образца испытуемые покрытия, прирабатывают их поверхности, производят взвешивание после обработки каждого покрытия и определяют массу ггц каждого из них (б,в).

Измеряют при необходимости площади трения (площади рабочих поверхностей) испытуемых покрытий А, если площади на образце выполнены одинаковыми, то измерения не производят.

Образец с покрытиями устанавливают на машину трения и производят последовательноЕ изнашивание нанесенных покрытий, соблюдая основной принцип — износ должен превышать толщину покрытия. Каждый раз после изнашивания очередного покрытия фиксируют массу образца Мц (г,д) и путь трения Si, на котором произведено истирание.

После завершения изнашивания последнего из нанесенных покрытий цикл нанесения и испытания покрытий полностью повторяется многократно вплоть до установленного предельного износа (минимально допустимого размера) образца из эталонного материала, т.е. до такого состояния образца, после которого дальнейшее нанесение и испытание покрытий станов1 тся невозможным по технологическим причинам.

Производят изнашивание материала

5 эталонного образца, фиксируют его остаточную массу М (е) и путь трения Ss, на котором произведено истирание,. При необходимости измеряют площадь трения эталонного образца Аэ.

10 Определяют искомые величины е из расчетной зависимости (9) по известным экспериментальным данным Мок Мп, mi, Mk-1, Mk, Sl, $э, АЬ As М ЗадаННЫМ КОНСтаНта м р, р .

15- Расчетная зависимость получена следующим образом. Из выражения (1) следует, что для определения @ требуется соотнести объемы изношенного материала эталонного и каждого из испытуемых покрытий на рав20 ных (или соотнесенных, приведенных) путях трения, т.е. интенсивности износа.

Потеря массы эталонного образца сверх массы любого i-ro испытуемого по. крытия b,ms может быть выражена зависи25 мостью;

Л ms=Mol-М и-mi. (2) где Мок Ми — массы образца до и после

30 истирания 1-го испытуемого покрытия, г; пц — масса i-го испытуемого покрытия, г, Потеря массы эталонного материала ms npu

его испытаниях

35 (3) ms--Мк->-М, эя Si ра Sз m! (4) 45 где $э, Si — пути трения при истирании материалов эталона и i-го испытуемого покрытия соответственно, мм.

Выразим $ из разности (5) %=$п S э,, где Sn — общий путь трения, приходящийся на

55 истирание -ro покрытия и части эталонного материала сверх толщины покрытия, мм;

S э — путь трения, приходящийся на истирание части эталонного материала сверх толщины покрытия, мм. где Мк-1 — масса эталонного образца после испытания последнего покрытия цикла, г; .Mk — остаточная масса эталонного об40 разца после его истирания, г.

Относительная износостойкость i-го- д покрытия по определению имеет вид

1778621

Для определения S можно использовать следующее очевидное соотношение:

ma(Se= Amer) S э, . (6) откуда п э Бэ

Ss=

ms тогда выражение (4) можно переписать в виде: me Sa

П1э (8) Определим теперь окончательно g, подставив в выражение (4) соответствующие значения из выражений (2), (3) и (8), вэ ml дэЯ дцЪ

В выражении (9) по аналогии с выражением(1) учтен случай, когда площади трения (площади рабочих t.oâåðõíîñòåé) испытуемого покрытия и э1 лонного материала отличаются.

Для реализац i способа можно использовать широко р .пространенную машину трения Х-46, на>, дачную бумагу (шкурку), стандартные аналитические весы.

Пример. Оценивалась износостойкость покрытий из вольфрама, никеля и нитрида титана на цилиндрическом образце с двумя торцевыми (непересекающимися) рабочими поверхностями (образец с двумя поверхностями выбран для простоты и наглядности). Испытания проводились за два цикла. Причем покрытия из вольфрама и никеля испытывались в первом цикле испытаний, а нитрид титана — во втором.

Материал эталона — сталь У8А. Размеры образца: диаметр 2 мм, длина около 20 мм, шероховатость торцевых поверхностей не ниже 1,2 мкм по Ra.

Рабочие поверхности эталонного образца прирабатывались на абразивной шкурке, после чего он взвешивался. Затем на рабочие поверхности образца последовательно наносились электроискровым способом испытуемые покрытия из вольфрама и никеля. Причем после осаждения каждого покрытия его поверхность прирабатывалась. а затем определялась масса образца.

Покрытие из нитрида титана наноси. лось на один торец образца путем термодиффузионного насыщения в порошковых средах при 1000 С в течение 3 ч.

5 Образец испытывался на машине трения Х-46 по схеме диск-палец. Абразивная шкурка КЗ-M-14, скорость вращения диска

60 об/мин, радиальная подача на оборот

1 мм, статическая нагрузка 3,75 Н, удель10 ное давление 94,34 МПа.

Приведем величины масс(в граммах) образца на различных этапах-испытания: исходная, после приработки 0,5155, после нанесения и приработки покры15 тия из вольфрама 0,5163; покрытие из вольфрама 0,0008; после нанесения и приработки покрытия из никеля 0,5168; . покрытие из никеля 0,0005;

20 после изнашивания покрытия из никеля

0,5140; после изнашивания покрытия из вольфрама 0,5119; после нанесения и приработки покры25 тия из нитрида титана 0,5122; покрытие из нитрида титана 0,0003; после изнашивания покрытия из нитрида титана 0,5106; после изнашивания эталонного матери30 ала 0,5065.

Известные константы материалов рувд = 0,0078 г/мм

35 ри = 0 0191 r/MMç

pal ™ 0,0089 г/мм рпщ = 0,0049 г/ммз

40 и найденные значения масс подставляем в выражение (9) и определяем искомые и вуу- 8,57; втщ- 5,86; рн= 4,10.

В расчетах не учитывались отношения площадей и путей трения, т.к. они равны для обеих рабочих поверхностей и для всех контролируемых покрытий.

50 В результате эксперимента для образца с двумя рабочими поверхностями удалось сэкономить время на упразднении повторного испытания эталонного материала для двух из трех испытуемых покрытий, исклю55 чить операцию приработки перед нанесением третьего покрытия (нитрида титана), исключить время на взвешивание соответствующих масс, проведение расчетов, а также сберечь абразивную шкурку.

1778621

Использование изобретения обеспечит снижение трудоемкости при проведении серийных испытаний покрытий на абразивное изнашивание за счет исключения многократных взвешиваний эталонного 5 материала при оценке относительной износостойкости каждого покрытия на отдельных образцах.

Кроме того, аналогичное или даже большее снижение трудоемкости следует 10 ожидать и от исключения времени на изнашивание эталонного материала для каждой из рабочих поверхностей образца, на которых нанесены испытуемые покрытия. При этом также снижается расход абразивной 15 шкурки и эталонного материала, что позволяет использовать их более рационально, Наконец, при использовании монолитного (единого) эталонного образца удается практически исключить одну объективно 20 существующую методическую ошибку, обусловленную различием физико-механических свойств в нескольких эталонных образцах (по прототипу).

Формула изобретения

Способ испытания покрытий на абразивное изнашивание, заключающийся в том, что формируют образец из эталонно- 30 го материала, наносят на его рабочую приработанную поверхность материал испытуемого покрытия, прирабатывают поверхность покрытия и изнашивают его пу-. тем истирания по абразивной поверхности 35 на глубину, превышающую толщину покрытия, после производят изнашивание эталонного материала, взвешивают и определяют изменение масс материалов после приработки и после изнашивания и по их соотно- 40 шению судят об износостой кости материала покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности при проведении серийных испытаний, на образце формируют по меньшей мере вторую рабочую поверхность, не пересекающую первую, после изнашивания покрытий на обеих рабочих поверхностях определяют остаточную массу образца и снова повторяют изнашивание до.достижения образцом минимально допустимой длины, а износостойкость определяют по формуле

Я Мк — 1 — Mk — Яэ Mpl — М g — пц

8 х

Яэ ml

АэЯ

А Q где 6 — относительная износостойкость i-ro покрытия;

mi. — масса материала i-го испытуемого покрытия после приработки, r;

М -1 —. масса эталонного образца после изнашивания последнего покрытия, r;

М - остаточная(предельно допустимая) масса эталонного образца после его изнашивания, г;

M0l, M1l — массы образца соответственно до и после истирания I-ro испытуемого покрытия, г;

S1, 4 — пути трения при изнашивании соответственно I-го испытуемого покрытия и эталонного образца, мм; рэ и р — плотности соответственно материала эталонного образца и материала 1-ro испытуемого покрытия, г/ммз;

Аэ, Al — ПЛОЩаДИ ТРЕНИЯ СООтВЕтСтВЕННО эталонного образца и испытуемого материала, мм .

1778621 е

Составитель В. Тарасов

Редактор Т. Купрякова Техред М.Моргентал Корректор Э, Лончакова

Заказ 4187 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101