Способ испытания покрытий на абразивное изнашивание

(5)5 6 01 М 3 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ КОМУ СВИДЕТ Т КА(46) 30.11,92. Б71) Физико-техальным констрпроизводствомСССР п)эри Яи бэ где и) эталон озволяющи разивное и лов, заключпоследовмого и изн азивной и азцы измер ельную изн по известн Известен сдить испытаниние различныхв том, что произнашиваниемого образцовсти, Изношеннвзвешивают, акость е рассчи пособ, и я на аб материа изводя испытуепо аб ые обр относит тыва ют и прово- знашиваающийся ательное ашивае- оверхнояют или осостойой завиный изн мого обр и) и - абсолют ого и испытуе но,г;- плотности эталонн териалов соответстве и - пути трения при и ого и испытуемого об но, мм; с по массе азцов соответст го и испытуно, г/мм; знашивании азцов соотЪ, Ъемого м Зэ, Я эталон н ветствен юл. %44нический институт со спецукторским бюро и опытнУральского отделения А(54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ПОКРЫТИЙ НА АБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ(57) Изобретение относится 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,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 видбз,б - 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 симость теряет физический смысл.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ испытания покрытий на абразивное изна 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 ния по абразивному материалу нэ глубину, превышающую толщину покрытия, определяют изменение масс материалов после приработки и изнашивания и по их соотношению судят об износостойкости материа ла покрытия, рассчитывая е по формулеЯ 1 п 11 - 012 - 32 про - п 11Е32 П 1 прз30 где я - относительная износостойкость покрытия;пъ, пц, п 12 - массы образца после приработки эталонного материала перед нанесением покрытия после изнашивания 35 испытуемого покрытия и после изнашивания эталонного материала соответственно,г;вл - масса материала испытуемого покрытия после приработки, г; 4031 и 32 - пути трения при изнашивании покрытия и эталонного материала соответственно, мм;р и рп - плотности эталонного материала и материала испытуемого покрытия со ответственно, г/ммз.Недостатком известного способа является необходимость многократного взвешивания и приработки рабочей поверхности 50экспериментального образца за цикл испытаний, что повышает трудоемкость способа,Особенно это сказывается при проведениисерийных испытаний на больших партияхобразцов, когда предполагается сравнительное исследование различных покрытий,либо одного покрытия, полученного приразличных 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 формулеЗ 1 (МК - 1 - МК) - Зз (МО - МЦ - пЧ )Яв хЗз щАзо 1А 1 Рзгде я - относительная износостойкость-го покрытия;а - масса материала 1-го испытуемого покрытия после приработки, г;Ми - масса эталонного образца после изнашивания последнего покрытия, г;М - остаточная (предельно допустимая) масса эталонного образца после его изна-. шивания, г;Мок Ми - массы образца до и после истирания 1-го испытуемого покрытия соответственно, г;.31, Яз - ПУТИ ТРЕНИЯ ПРИ ИЭНаШИВаНИИ 1-го испытуемого покрытия и эталонного материала соответственно, мм;рз ир - плотности эталонного материала и материала 1-го испытуемого покрытия соответственно, гlмм;Аз, А - 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) тотже 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 в 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 последова- тельноЕ 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 Яь 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 дальнейшеенанесение и испытание покрытий станов тся невозможным по технологическим причинам.Производят изнашивание материала5 эталонного образца, фиксируют его остаточную массу М(е) и путь трения Яэ, нэ которомпроизведено истирание, При необходимости измеряют площадь трения эталонногообразца Аэ.10 Определяют искомые величины о израсчетной зависимости (9) по известнымэкспериментальным данным Мок Мп, вьММь Яь Яз, Аь Аэ м заданным константам р, р.15 Расчетная зависимость получена следующим образом. Из выражения (1) следует,что для определения й требуется соотнестиобъемы изношенного материала эталонногои каждого из испытуемых покрытий на рав 20 ных(или соотнесенных, приведенных) путяхтрения, т,е. интенсивности износа,Потеря массы эталонного образцасверх массы любого 1-го испытуемого по. крытия Лгпз может быть выражена зависи 25 мастью;(2) где Мок Ми - массы образца до и после30 истирания 1-го испытуемого покрытия, г;пц - масса 1-го испытуемого покрытия, г,Потеря массы эталонного материала ез приего испытаниях 35(4) 45 где Яэ, Я - пути трения при истирании материалов эталона и 1-го испытуемого покрытиясоответственно, мм.Выразим Я 1 из разности(5) Я=ЯП-Яэ,где Яп - общий путь трения, приходящийся на 55 истирание 1-го покрытия ичасти эталонногоматериала сверх толщины покрытия, мм;Я э - путь трения, приходящийся на истирание части эталонного материала сверхтолщины покрытия, мм. где Мк- - масса эталонного образца послеиспытания последнего покрытия цикла, г;.Мк - остаточная масса эталонного об 40 разца после его истирания, г,Относительная износостойкость 1-го- дпокрытия по определению имеет видДля определения 5 э можно использовать следующее очевидное соотношение: п 3 э(Зэ= Ь пэ) Я э (6) откуда Лпэ Яэ Яэ= -п 1 э(8) Определим теперь окончательно а, подставив в выражение (4) соответствующие значения из выражений (2), (3) и (8),дэядцЪВ выражении (9) по аналогии с выражением(1) учтен случай, когда площади трения (площади рабочих ,оверхностей) испытуемого покрытия и э 1 лонного материала отличаются,Для реализацспособа можно использовать широко р.пространенную машину трения ХБ, на, дачную бумагу (шкурку), стандартные аналитические весы.П р и м е р. 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 У 8 А, Размеры образца: диаметр 2 мм, длина около 20 мм, шероховатость торцевых поверхностей не ниже 1,2 мкм по Ва.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 ХБ по схеме диск-палец. Абразивная шкурка КЗ-М, скорость вращения диска 60 об/мин, радиальная подача на оборот 1 мм, статическая нагрузка 3,75 Н, удель ное давление 94,34 МПа.Приведем величины масс(в граммах) образца на различных этапах. испытания:исходная, после приработки 0,5155, после нанесения и приработки покры 15 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 никеля0,5140;после изнашивания покрытия из вольфрама 0,5119;после нанесения и приработки покры 25 тия из нитрида титана 0,5122;покрытие из нитрида титана 0,0003; после изнашивания покрытия из нитрида титана 0,5106;после изнашивания эталонного матери 30 ала 0,5065.Известные константы материаловрувд = 0,0078 г/мм35 руч = 0,0191 г/ммрйО 0089 г/ммзрта = 0,0049 г/ммз,40и найденные значения масс подставляем ввыражение (9) и определяем искомые йЮч,57; вта,86; щ 1=4,10;45В расчетах не учитывались -отношенияплощадей и путей трения, т.к, они равны для обеих рабочих поверхностей и для всех контролируемых покрытий.50 В результате эксперимента для образцас двумя рабочими поверхностями удалось сэкономить время на упразднении повторного испытания эталонного материала для двух из трех испытуемых покрытий, исклю 55 чить операцию приработки перед нанесением третьего покрытия (нитрида титана), исключить время на взвешивание соответствующих масс, проведение расчетов, а также сберечь абразивную шкурку.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).25Формула изобретения Способ испытания покрытий на абразивное изнашивание, заключающийся в том, что формируют образец из эталонно 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 шению судят об износостой кости материала покрытия, о тл и ч а ю щ и й с я 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 формулеЯ ММ - 1 - МК - Зэ МО - М И - пц 8 х Бэ ВАэЯА 9 эгде й - относительная износостойкость 1-го покрытия;в. - масса материала 1-го испытуемого покрытия после приработки, г;М- . масса эталонного образца после изнашивания последнего покрытия, г;М- остаточная(предельно допустимая) масса эталонного образца после его изнашивания, г;Мок М 1 - массы образца соответственно до и после истирания 1-го испытуемого покрытия, г;31,3 э - ПУТИ ТРЕНИЯ ПРИ ИЗНаШИВаНИИ соответственно 1-го испытуемого покрытия и эталонного образца, мм;рэ и р - плотности соответственно материала эталонного образца и материала 1-го испытуемого покрытия, г/мм;Аэ, А - площади трения соответственно эталонного образца и испытуемого материала, ммПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго Гагарина, 10 Заказ 4187 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5