Вплив параметрів процесу газотермічного напилення покриттів на їх зносостійкість і міцність зчеплення

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Національний технічний університет України

Вплив параметрів процесу газотермічного напилення покриттів на їх зносостійкість і міцність зчеплення

Анотація

У статті на основі експериментальних досліджень представлена комплексна оцінка впливу технологічних параметрів процесу газотермічного напилення (дистанції напилення), конструкторських параметрів (товщини покриття) та експлуатаційних параметрів (умов експлуатації - навантаження і швидкості ковзання) на міцність зчеплення та інтенсивність зношування газотермічних покриттів. Було встановлено вплив кожного з них на властивості отриманих покриттів. Зроблено висновок, що для підвищення міцності зчеплення газотермічних покриттів та зменшення інтенсивності їх зношування доцільно комплексно використовувати вплив дистанції напилення, товщини покриттів та умов його експлуатації.

Ключові слова: газотермічні покриття, міцність зчеплення, інтенсивність зношування, дистанція напилення, товщина покриттів, навантаження, швидкість ковзання

Annotation

A.V. Lopata. Influence of gas thermal process parameters spraying of coatings for their wear resistance and adhesion strength

The article presents a comprehensive impact assessment based on experimental research technological parameters of the gas-thermal spraying process (spraying distance), design parameters (coating thickness) and operational parameters (conditions operation - load and sliding speed) on grip strength and intensity wear and tear of gas-thermal coatings. the effect of each of them on the properties was established received coatings. The study of HTN coatings with variation of its main parameters made it possible to assess the influence of each of them on the properties of surfaces with sprayed coatings. On the basis of the obtained experimental results, models have been developed that relate the adhesion strength and wear intensity of the coatings to their thickness and spraying distance. Solving the problems of mathematical modeling and optimization of the HTN coating process makes it possible to obtain a comprehensive assessment of the influence of input variables (HTN process parameters) on the output indicators - the properties of sprayed coatings. Analyzing the obtained models, it should be noted that the adhesion strength of the coatings depends on their thickness and spraying distance. The wear resistance of the coatings is influenced by its operating conditions (load and sliding speed). It was concluded that to increase the adhesion strength of gas thermal coatings and reducing the intensity of their wear is expedient to use comprehensively influence of spraying distance, coating thickness and conditions of its operation.

Key words: gas-thermal coatings, adhesion strength, intensity of wear, spraying distance, coating thickness, load, sliding speed

Вступ та постановка задач дослідження

Неадитивний вплив на елементи конструкцій (ЕК) експлуатаційних факторів є складним процесом, який залежить від величини цих факторів. У зв'язку з цим доцільно дослідити елементи конструкцій із покриттями в умовах експлуатації. З розвитком технологій нанесення покриттів методами газотермічного напилення (ГТН) та через складність фізико-хімічних процесів, що відбуваються при ГТН, в даний час експеримент є одним з основних засобів, який дає можливість описати та вивчити цей процес, а експериментально-статистичні методи - один з основних інструментів не тільки у його науковому пізнанні, а й у технологічних і конструкторських розробках. При відпрацюванні технології ГТН покриттів експериментальні дослідження проводили на зразках, оскільки безпосереднє нанесення покриттів на деталі та випробування на реальних об'єктах - трудомісткий і дорогий процес. Розробка технологічного процесу (ТИ) ГТН покриттів пов'язана з розв'язанням оптимізаційних завдань [1-2]. Це пояснюється тим, що значна кількість технологічних параметрів процесу ГТН у поєднанні з великою номенклатурою матеріалів, з яких формують покриття, надають широкий ряд альтернативних варіантів. У такій ситуації ефективність прийнятих рішень залежить від вибору параметрів процесу ГТН для керування його ТИ, і властивостей покриттів за заданих умов експлуатації, що дозволяє збільшити термін служби деталей машин. Ресурс (інтенсивність зносу, термін служби) поверхонь ЕК з газотермічними покриттями залежить від їх якісних характеристик, що впливають на інтенсивність спрацьовування: твердість покриття, міцність зчеплення, зносостійкість.

Дослідження [3] працездатності ЕК з покриттями показали, що основною причиною їх руйнування є недостатній зв'язок між матеріалом покриття та поверхнею, що зміцнюється. Іншими словами, однією з найважливіших експлуатаційних характеристик ЕК з газотермічними покриттями є міцність зчеплення - критерій, який визначає їхню працездатність [3, 4]. При оптимізації режимів процесу ГТН в якості його основних параметрів, що визначають якість ЕК з покриттями були вибрані дистанція напилення (технологічний параметр), товщина покриття (конструкторський параметр), навантаження та швидкість ковзання (експлуатаційні параметри).

Мета роботи - забезпечити максимальний термін служби елементів конструкцій з напиленими покриттями шляхом оцінки впливу параметрів процесу газотермічного напилення на властивості покриттів та визначення його оптимальні режими, які дозволяють при мінімальних витратах на дослідження отримати достатній обсяг інформації про процес, що вивчається.

Методологія досліджень. Методологія досліджень призначена для скорочення обсягу експериментальних робіт, отримання максимальної інформації та передбачає використання комплексу експериментально - статистичних методів досліджень. Ці методи дають можливість визначити оптимальні режими ГТН, за допомогою яких можна отримати покриття із заданими властивостями та забезпечити оптимальне співвідношення характеристик міцності в композиції «основа-покриття», а саме максимальну міцність і довговічність. Іншими словами, технологію нанесення покриттів ГТН слід розглядати як спосіб керування властивостями поверхневого шару, що зміцнюється. При цьому конструювання композиції "основа покриття" базується не тільки на співвідношенні властивостей покриття з умовами експлуатації, а також на співвідношенні властивостей покриття з властивостями зміцнюваної поверхні. У роботі запропоновано методологію, яка базується на застосуванні системного підходу до вирішення проблеми дослідження процесу ГТН з метою вивчення його особливостей, встановлення закономірностей впливу параметрів ГТН на властивості та структуру одержуваних покриттів, вибору оптимальних режимів ГТН та розробки ТП ГТН.

Основним принципом та передумовою розробки методології науково-експериментальних досліджень багатофункціональних газотермічних покриттів є системність та комплексний характер дослідження їх властивостей, принципи моделювання (змістовний аналіз, формалізований опис, дослідження та вибір оптимального варіанту).

Виходячи із системного підходу, організація дослідження є ієрархічною структурою таких методологічних рівнів:

1) проблемного аналізу з'ясування актуальності проблеми, визначення мети дослідження та постановку завдань;

2) концептуального рівня дослідження, що включає аналіз системного оточення, виділення з нього ТП та обґрунтування засобів його вибору;

3) операційного рівня дослідження, що передбачає проведення функціонально -морфологічного аналізу, вибір режимів ТП та розробку його математичних моделей;

4) детального рівня дослідження, що включає обґрунтування та оцінку пропозицій щодо вдосконалення ТП; вибір йог оптимального варіанта;

5) завершального етапу прийняття рішення щодо вибору оптимальних параметрів ТП, які дозволять вирішити поставлену проблему.

Завдяки можливості керування параметрами процесу нанесення газотермічних покриттів для дослідження ТП було вибрано метод багатофакторного планування експерименту та математичної обробки статистичних даних, який дозволяє подати ТП у вигляді функціональної залежності вхідних та вихідних параметрів.

Обговорення основних результатів

Для ефективного аналізу механізму ГТН покриттів та управління його ТП встановлювали взаємозв'язок факторів, що визначають перебіг процесу напилення. Планування експерименту є необхідним елементом експериментального дослідження та відноситься до статистичного методу ідентифікації складних систем [5]. Від плану експерименту залежить обсяг інформації, її якість та надійність. Був вибраний план експерименту, який для структури рівняння регресії забезпечує отримання стійкої, інформативної та адекватної математичної моделі [5]. Конструювання плану експерименту проводили за допомогою пакету прикладних програм "Планування, регресія та аналіз моделей (I IIIIІ ПРІАМ)" [6]. Проведення розрахункового експерименту необхідне для використання моделі у процесі вивчення ГТН покриття. При цьому фізичний об'єкт замінюється побудованою моделлю. ^будова математичних моделей за результатами експерименту відбувалась у два етапи: вибір структури рівняння регресії, оцінка коефіцієнтів регресії та його статистичних характеристик. Над побудовою моделі розуміється побудова за результатами експериментальних даних регресивної моделі, яка повинна відображати структуру зв'язків між незалежними змінними. Таким чином, на основі експериментальних даних будуються багатофакторні математичні моделі критеріїв якості, потім за цими моделями та результатами проводиться оптимізація. !ри вирішенні реальних завдань оптимізації постає проблема вибору критеріїв оптимізації.

Ефективне використання процесу ГТН покриттів засноване на можливості його керування з метою забезпечення максимальної міцності та ресурсу елементів конструкцій за їх мінімальної вартості. Фазовий склад, структура, механічні та експлуатаційні властивості поверхонь із покриттями є функціями параметрів ГТН. За результатами досліджень констатують факт того, що поверхня з покриттями має необхідні властивості при заданих параметрах ГТН. Однією з найважливіших характеристик ТИ ГТН є відтворення необхідних властивостей поверхонь із покриттями та їх стабільність. Процес ГТН характеризується великою кількістю факторів, що впливають на властивості поверхонь деталей з покриттями, керуючи якими можна підвищити їх термін служби. Процес нанесення покриттів ГТН характеризується складністю та взаємною обумовленістю технологічних параметрів. На умови формування ГТН-покриттів не адитивно впливають конструктивні особливості устаткування, технологічні параметри процесу, характеристики матеріалу покриття. Природно прагнення при вдосконаленні технології ГТН мінімізувати кількість факторів (табл. 1), що впливають на властивості покриттів. Висока чутливість механічних характеристик матеріалів покриттів та поверхонь до режимів ГТН вимагає дослідження впливу процесу ГТН на властивості поверхонь з покриттями, їхнє управління та оптимізацію. Для визначення оптимальних режимів ГТН при проведенні експериментальних досліджень процесу нанесення покриттів були вибрані такі фактори (табл. 1): технологічні (дистанція напилення, L), конструкційні (товщина покриття, h); експлуатаційні (навантаження, Р та швидкість ковзання, Рков.). Результати проведених експериментальних досліджень представлені в табл. 2-5.

За результатами експерименту проведено статистичний аналіз та побудовано регресійні моделі (1 і 2) залежностей критеріїв оптимізації, які характеризують міцність зчеплення (озч.) та зносостійкість (інтенсивність зношування, Jh) покриттів від конструктивних (товщина покриття, h), технологічних (дистанція напилення, L) та експлуатаційних факторів (навантаження, Р та швидкість ковзання, Рков.). Фактори та їх рівні наведені у таблиці 6, матриця планування у табл. 7. Як вихідні дані використовувалися матриця планування (табл. 7) і результати експериментальних досліджень (табл. 1 -4). Використовуючи фактори та значення рівнів їх варіювання, згенеровано план експерименту в кодованих значеннях (табл. 8).

технологічний конструкція газотермічний напилений покриття

Таблиця 1