Функциональные покрытия

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ УКРАИНЫ

ВОСТОЧНОУКРАИНСКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ВЛАДИМИРА ДАЛЯ   
 
 
 
 
 
 
 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту

Тема: “Функциональные покрытия”

по дисциплине “Поверхностная обработка и функциональные покрытия” 
 
 
 

СТУДЕНТ:                                                       СТУДЕНТ С.С.

ГРУПА:                                                           ММ-000

РУКОВОДИТЕЛЬ:                            ПРЕПОД П.П. 
 
 
 
 
 

Луганск 2011

ВОСТОЧНОУКРАИНСКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ВЛАДИМИРА ДАЛЯ 

Кафедра материаловедения

Дисциплина: Поверхностная обработка и функциональные покрытия

Специальность: инженерное метериаловедение

Курс 4  Группа ММ-000 Семестр 8 
 
 

ЗАДАНИЕ

к курсовому  проекту студента

Студента  Студента Студентовича 
 
 

1. Тема работы: “Функциональные покрытия”

2. Срок сдачи студентом завершенной работы 12.05.11

3. Исходные данные к работе: согласно заданию на курсовой проект (вариант №5) исходными данными для расчёта являются:

Раздел 1:

    - Материал покрытия: WC - 40 % Ni (основа – сталь 15)

Tпл, °С l1, Вт/(м×°С) c1, Дж/(кг×°С) r1, кг/м3 L1, Дж/кг
2500 20 650 15770 340×103

    - Фотографии  микрошлифов покрытия ПГ-СР3 (основа – сталь 15) 

Раздел 2:

    - Марки  порошков: ПГ-СР3, ПТ-НА-01, Медь МО, ZrO2 

Раздел 3:

    - Материал покрытия - порошок Al2O3 (40…70)

    Разрушающее усилие при определении прочности  сцепления покрытий (диаметр штифта 2 мм) 

Разрушающее усилие, Н
Р1 Р2 Р3 Р4 Р5
42 36 40 34 43
 

Разрушающее усилие при определении когезионной  прочности покрытий 

Разрушающее усилие, Н
Р1 Р2 Р3 Р4 Р5
8000 8200 7700 8100 7800
 

Раздел 4:

    - Материал  покрытия - Сталь 08Х18Н12Т (основа – сталь 15)

Tпл, °С l1, Вт/(м×°С) c1, Дж/(кг×°С) r1, кг/м3 L1, Дж/кг
1440 14 790 7800 280×103
 

Раздел 5:

    - Материал  покрытия - порошок ZrO2

4. Содержание пояснительной записки: задание, календарный план, реферат, содержание, введение, общие закономерности строения газотермических покрытий, определение свойств порошковых материалов для напыления покрытий, испытания покрытий на адгезионную и когезионную прочность, расчёт контактной температуры в системе “частица-основа”, экспертная оценка качества покрытий.

5. Список графического материала: 4 листа формата А1

6. Дата выдачи задания: 15.02.2011 
 
 
 
 
 

Календарный план 

№ Название  этапов курсовой работы Срок  исполнения этапов работы
1 Общие закономерности строения газотермических покрытий. 25.02.2011
2 Определение свойств  порошковых материалов для напыления  покрытий. 4.03.2011
3 Испытания покрытий на адгезионную и когезионную  прочность. 14.03.2011
4 Расчёт контактной температуры в системе “частица-основа”. 19.03.2011
5 Экспертная  оценка качества покрытий. 23.03.2011
6 Оформление  курсовой работы. 26.03.2011
7 Защита курсовой работы. 12.05.2011
 

Студент              Студент С.С.

Руководитель                                                                               Препод П.П. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

     Пояснительная записка содержит 63 стр., 23 рис., 18 табл., 9 литературных источников.

     В курсовой работе приведено изучение основных элементов микроструктуры газо-термических покрытий.

     Изучены методики определения основных свойств порошковых и гранулированных материалов.

     

      Показаны  методы определения прочности сцепления и когезионной прочности газотермических покрытий, а также методика испытаний покрытий на прочность сцепления вытягиванием конического штифта и методика определения когезионной прочности покрытий при растяжении.

      С целью выбора оптимальной температуры предварительного подогрева основы при напылении использован расчёт контактной температуры в системе “частица-основа”.

      На  основании измерения микротвердости и металлографического анализа газотермических покрытий дана экспертная оценка качества покрытий. 
 
 
 
 

     Ключевые  слова: ГАЗО-ТЕРМИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ, МИКРОСТРУКТУРА, НАПЫЛЯЕМЫЙ МАТЕРИАЛ, АДГЕЗИЯ, КОГЕЗИЯ, ПОРОШКИ, ПРОЧНОСТЬ СЦЕПЛЕНИЯ, ЧАСТИЦА, ОСНОВА, МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ. 
 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………...…7

  1. Общие закономерности  строения газотермических  покрытий……..9

       2. Определение свойств порошковых материалов для напыления покрытий………………………………………..………………………..18

    2.1. Методы  анализа дисперсного состава  порошков………………..…18

    2.2. Определение  текучести порошков………………………………….22

    2.3. Определение  насыпной плотности порошков……………………...23

    3. Испытания покрытий  на адгезионную и когезионную прочность..27

    3.1. Методика подготовки образцов к испытаниям…………………….27

    3.2. Определение адгезионной и когезионной прочности материала покрытия порошок Al2O3…………………………………………………28

    4. Расчёт контактной температуры в системе “частица-основа”…….34

    5. Экспертная оценка  качества покрытий………………………………40

    5.1. Определение микротвердости покрытий…………………………...40

    5.2. Оценка качества покрытий металлографическим анализом………50

    Заключение……………………………………………………………………...62

    Список  использованных источников………………………………………..63 
     
     
     
     

     ВВЕДЕНИЕ

     

     В процессе эксплуатации машин и механизмов их детали зачастую работают в жестких условиях контактирования с высокотемпературными газами, различными агрессивными средами и абразивными веществами, вызывающими интенсивную коррозию или износ поверхности. По мере повышения скорости действия машин и механизмов, увеличения их размеров и производительности условия работы поверхности детален становятся все более жесткими. В связи с этим возникает необходимость применения специальных мер, обеспечивающих радикальное повышение жаропрочности, коррозионной стойкости, износостойкости и других важных свойств поверхности материалов. Эта задача может быть успешно решена применением наплавки и напыления как способов поверхностного упрочнения материалов. Современные достижения в разработке и совершенствовании оборудования позволили значительно улучшить эксплуатационные свойства наносимых покрытий. Это особенно важно в условиях экономии сырья и повышения эффективности использования энергии.

     К рабочим поверхностям деталей машин  в зависимости от условии их эксплуатации предъявляют определенные требования по различным свойствам: износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости и др. Прочность деталей достигается путем использования соответствующих материалов с необходимыми исходными свойствами. Иными словами, при проектировании машин необходимо исходить из прочности современных материалов.

     Важнейшими  факторами, определяющими эксплуатационную надежность и срок службы деталей  и конструкционных элементов машин, являются также свойства материалов поверхностей этих деталей и элементов.  

     

     

     Например, наземные здания и сооружения подвергаются разрушению под воздействием дождя, ветра и солнечных лучей, суда — от постоянного контакта с морской водой, химическое оборудование интенсивно изнашивается в результате агрессивного действия различных химикатов, жидкостей и газов, строительные машины изнашиваются от абразивного действия грунта и песка, изнашивание деталей машин общего назначения происходит в результате взаимного трения их рабочих поверхностей.

     Увеличение  размеров оборудования, повышение его  быстродействия и производительности сопровождаются ужесточением условий работы его узлов и механизмов. Увеличение срока службы деталей машин можно обеспечить путем образования на поверхности этих деталей и элементов слоев или покрытий, обладающих высоким уровнем требуемых свойств — коррозионной стойкости при высоких температурах, износостойкости, твердости, жаростойкости и др.

     Такой путь представляет значительные резервы экономии сырьевых ресурсов. Применение технологии улучшения свойств поверхности материалов расширяет перспективу проектирования и производства различного оборудования с более высоким уровнем эксплуатационных показателей, что, в свою очередь, позволяет сократить потребление энергии и повысить производительность труда в различных отраслях промышленности. 
 
 
 
 
 

     1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ  СТРОЕНИЯ ГАЗО-ТЕРМИЧЕСКИХ  ПОКРЫТИЙ 

      Газо-термическое  покрытие – это слоистый материал, состоящий из сильно деформированных напыленных частиц, соединенных между собой по контактным поверхностям, на которых произошло химическое взаимодействие.

     Прочность и плотность напыленного покрытия ниже прочности и плотности материала  покрытия в компактном состоянии. Прочность в самих пятнах химического взаимодействия зависит от количества очагов схватывания, образовавшихся на площади пятна и представляющих собой сварные участки небольшого размера.

     Очаги схватывания возникают во время  удара, деформации и затвердевания частиц, а их количество определяется уровнем развития химического взаимодействия материалов в контакте. В покрытии можно выделить структурные элементы, которые отражают процессы его формирования и разделены между собой границами раздела с определенными свойствами. Свойства границы раздела 1 между покрытием и основой определяют прочность сцепления покрытия. Свойства самого покрытия обусловливаются свойствами границ раздела 3 между частицами (рис. 1.1). Сцепление покрытия и основы называют адгезией, а сцепление частиц в покрытии – когезией. Граница раздела между слоями 2 (межслойная граница), полученная за один проход распыляющего устройства, возникает из-за различной длительности выдержки между нанесением частиц в слое и между слоями. За период выдержки межслойного нанесения поверхность ранее нанесенного слоя покрытия окисляется, и контактные процессы между ней и напыляемыми частицами затрудняются, что и является причиной возникновения границы.

     

     

     Рис. 1.1. Схема структуры газо-термического покрытия: 1 – граница между покрытием и основой; 2 – границы между слоями; 3 – границы между частицами в слое; Dx – диаметр участка поверхности контакта, на котором произошло приваривание частиц к основе и друг к другу.

      Структура слоя, сформированного за один проход, неоднородна и определяется различными размерами и энергетическим состоянием (температурой и скоростью) частиц, находящихся в периферийной и центральной зоне двухфазного потока, состоящего из частиц и газа. Кроме того, наблюдается также экранирующее действие периферийных частиц по отношению к частицам центральной зоны, поскольку периферийные частицы при движении распыляющего устройства первыми ложатся на напыляемую поверхность. Толщина слоя в различных покрытиях колеблется в очень широких пределах в зависимости от назначения покрытия, технологии его нанесения, материалов, входящих в состав покрытия. Наиболее часто встречаются покрытия с толщиной слоя от 10 до 100 мкм.

     Образование покрытия последовательной укладкой множества  деформирующихся частиц неизбежно приводит к появлению микропустот, в первую очередь на стыках частиц. Покрытие формируется в атмосфере, поэтому микропустоты заполняются газами, что ухудшает свойства границ, особенно межслойных, имеющих наибольшую насыщенность адсорбированными газами. Вследствие большой шероховатости покрытия и чрезвычайно быстрого растекания и кристаллизации частиц, в зоне контактов с поверхностью ранее нанесенных частиц остаются дефекты и полости, которые образуются также вследствие выделения газов, растворенных в расплавленных частицах. Взаимодействие с атмосферой, адсорбция газов и оседание пылевидных фракций ухудшают свойства межслойных границ.

     Основными элементами микроструктуры газо-термических  покрытий являются (рис. 1.2):

    1. сильнодеформированные частицы (ламели) толщиной 5 - 15 мкм;
    2. оксидные пленки;
    3. поры;
    4. микропоры.

     Оксидные  пленки в покрытиях появляются из-за окисления напыляемых частиц кислородом воздуха. При окислении на поверхности  расплавленных сферических частиц образуется плотный слой оксида. После растекания частиц по поверхности основы оксиды остаются в покрытии в виде тонких пленок, расположенных по межчастичным границам.

     Поры  образуются из-за усадочных явлений  при кристаллизации частиц.

     Микропоры образуются из-за насыщения напыляемых частиц газами.

     Оксидные  пленки, поры и микропоры удобнее  всего выявлять на нетравленых микрошлифах  покрытий. Они образуют характерный  темный фон на светлом фоне нетравленых  ламелей (рис. 1.2, а).

     Таблица 1.1

     Свойства  напыляемых материалов в расплавленном  состоянии

Материал (cплав) Tпл, °С l1, Вт/(м×°С) c1, Дж/(кг×°С) r1, кг/м3 L1, Дж/кг
Сталь 08Х18Н12Т 1440 14 790 7800 280×103
Ni 1455 25 770 8900 300×103
Сплав Cu - 50% Ni 1310 20 700 8900 260×103
Сплав ПГ-СР2 1300 12 700 8900 240×103
Сr3C2 - 35 % Ni 1890 11 1100 7200 270×103
WC- 40 % Ni 2500 20 650 15770 340×103
Нихром  Х20Н80 1450 14 780 8900 300×103
 

     Заданный  материал покрытия: WC - 40 % Ni.

      Время кристаллизации частиц на поверхности основы:

                                                    (1.1)

     где h=5мкм – высота затвердевающей частицы;

     с1, r1 и l1 – соответственно теплоемкость, плотность и теплопроводность материала частиц;

     a – аргумент функции интеграла вероятности, являющийся корнем характеристического уравнения:

                                             (1.2) 

      Здесь Кe – критерий тепловой активности материала частицы по отношению к материалу основы;

     КL – критерий, оценивающий скрытую теплоту плавления материала частицы.

                       (1.3)

                              (1.4)

     Согласно  номограмме: 

     Рис. 1.2. Номограмма для определения аргумента  функции интеграла вероятности  α

     α=0,8 
 

     Таблица 1.2

     Значения  функции Ф(a):

a 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,9 1
Ф(a) 0,11 0,17 0,22 0,28 0,33 0,38 0,43 0,48 0,52 0,56 0,6 0,64 0,67 0,71 0,74 0,79 0,84
 

     Ф(α)=0,74

     

      Скорость охлаждения частиц:

     

     Таблица 1.3

     Свойства  основы (основа – сталь 15) и результаты расчетов по уравнениям (1.1) - (1.4)

Температура основы,°С l2, Вт/(м×°С) c2, Дж/(кг×°С) r2, кг/м3 Кe КL a Ф(a) υ
20 60 500 7800 0,936 2,7 0,8 0,74 4960000
 
 

     

     Шлиф 1 (х360)

     

     Шлиф 2 (х360)

     

     Шлиф 3 (х360)

      Рис. 1.3. Микрошлифы материала покрытия ПГ-СР3 (основа - сталь 15).

     1 - микропоры; 2 - поры; 3 - оксидные плёнки; 4 - основа; 5 - граница раздела 1; 6 - граница раздела 2; 7 - подслой; 8 - основной  слой; 9 - отслоение покрытия от  основы; 10 - сфероидизированные и  непроплавленные частицы 

      На шлифах 1,2,3 представлены микроструктуры плазменных покрытий при увеличении х360. Напыленный материал - порошок ПГ-СР3 (Ni-Cr-B-Si-C) дисперсностью 60-100 мкм. Порошок получен распылением расплава воздухом. На микрошлифе N1 показана микроструктура покрытия без основ и без границы раздела покрытие-основа. На микрошлифе отчётливо видны следующие элементы микроструктуры покрытия: поры, микропоры, оксидные плёнки по границам частиц. Не проплавленные частицы на микрошлифе не обнаружены.