Технические науки/8.

Обработка материалов в машиностроении

 

К.т.н., доцент Муравьев О.П., докторант Ткачева Ю.О.

 

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

 

ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА НА НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОСАЖДЕНИИ ПИРОЛИТИЧЕСКИХ КАРБИДО-ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ

 

 

Известно, что при повышении качества подготовки поверхности основного металла адгезионная прочность покрытия возрастает [1,2]. В то же время в литературе практически отсутствуют теоретические обоснования требований к шероховатости поверхности основного металла под хромирование.

Рассмотрим задачу теории упругости о напряженном состоянии двухслойного полого цилиндра с шероховатой поверхностью раздела. Модель детали с покрытием представлена на рисунке 1.

Двухслойная система анизотропна, разрешение ее наиболее вероятно по поверхности раздела. После нанесения пиролитического карбидо-хромового покрытия (ПКХ-покрытия) цилиндр находится в объемном напряженном состоянии, описываемом в рассматриваемой точке сплошной среды симметричным тензором 2-го ранга:

 


     

                                         Т =                 ,

        

зная который, можно рассчитать напряжения на любой площадке, проходящей через эту точку. Шероховатая поверхность раздела в отличии от гладкой содержит площадки, случайно ориентированные в пространстве.

 

 

Рисунок 1- Геометрическая модель детали с покрытием на наружной

 шероховатой поверхности

 

Выделим из цилиндра двухслойный элемент и рассмотрим напряжения, приложенные к поверхности раздела, занимающей произвольное положение. Схема действия напряжений представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 - Схема действия напряжений на элементарной

площадке поверхности раздела

Для определения главных напряжений воспользуемся решением [3], полученным для биметаллического (неоднородного) полого цилиндра с концентрической поверхностью раздела слоев(δ=const) при аналогичной схеме нагружения. Учитывая, что R1-r>>R-R1(рис. 1) можно записать:

;

                    ;                   (1)

;

 

где  - коэффициенты температурного расширения хрома и стали соответственно;

 - модуль упругости стали;

 - коэффициент Пуассона;

 - температура, град.

 

Нормальные напряжения на площадке раздела с нормалью  n, выражаются через главные напряжения по формуле [4]:

 

             ,                (2)

 

а касательные напряжения на этой площадке:

 

,                       (3)

 

где  - углы между нормалью к площадке и направлением главных напряжений.

Чтобы оценить влияние шероховатости поверхности раздела основа-покрытие на разрушающие напряжения  , необходимо перейти от углов   к углам, которые могут быть определены из профилограммы, снимаемой вдоль, образующей  z (рисунок 3).

 

 

Рисунок 3 - Углы профиля шероховатой поверхности

 

Для шероховатой поверхности справедливы следующие равенства [5]:

 

;

       ;                                             (4)

,

 

где   - угол наклона стороны профиля к средней линии.

Для анализа функций (2) и (3) запишем выражения  , используя выражение (4):

     (5)

  (6)

Анализ выражений (5) и (6) показывает, что при   Это означает, что на поверхности раздела приложено лишь главное радиальное напряжение, стремящееся срезать покрытие с  основы, т.е. 

Из выражений (5) и (6) видно, что с увеличением угла b нормальные напряжения   будут возрастать.

Из [6] известно, что каждому методу обработки соответствует определенный диапазон изменения углов профиля    и радиусов вершин в зависимости от шероховатостей полученных поверхностей. Радиусы закругления вершин, углы профиля, высота неровностей и размеры основания отдельных микронеровностей, их шаги связаны между собой.

После круглого шлифования в зависимости от параметра  =2,5…0,16мкм.,  углы наклона профиля    находятся в пределах=30º…5º.

После обработки ППД (обкатывание) углы  в зависимости от  =1,4…0,08мкм.  находятся в следующих пределах: =8º…1º.

Целесообразно определить нормальные и касательные напряжения, возникающие в ПКХ-покрытии в зависимости от способа подготовки основного металла    (шлифования    и   обкатывания).   Подставляя вычисленные   значения   по выражениям (1) и значения углов  , определяем значения нормальных и касательных напряжений. Результаты расчетов нормальных и касательных напряжений приведены в таблицах 1 и 2. Расчеты выполнялись для нанесения ПКХ-покрытия  при температуре Т1=450оС, Т2=475оС, Т3=500оС, Т4=525оС.

 

Таблица  1 - Расчетные значения нормальных напряжений sn  (Мпа) в пиролитическом карбидо-хромовом покрытии в зависимости от угла   b  основного металла

Температура нанесения ПКХ-покрытия, градус оС, Тр

Подготовка обкатыванием

Подготовка шлифованием

угол β, град

угол β, град

4

5

6

7

8

15

20

25

30

Тр1=450

-50,0

-30,8

-14,2

5,8

10,4

32,4

52,6

70,3

80,9

Тр2=475

-80,4

-60,2

-20,8

14,2

22,1

43

78,4

91,2

118,6

Тр3=500

-120,6

-80,3

30,1

27,6

38,7

57

94,6

118

168,2

Тр4=525

-150,2

-110,6

-40,4

30,4

50,6

74,5

130,6

199

252

 

Таблица 2- Расчетные значения касательных  напряжений   t n  (Мпа) в пиролитическом карбидо-хромовом покрытии в зависимости от угла   b  основного металла

Температура нанесения ПКХ-покрытия, градус оС, Тр

Подготовка обкатыванием

Подготовка шлифованием

угол β, град

угол β, град

4

5

6

7

8

15

20

25

30

Тр1=450

5

19,2

29

33,7

38,4

70

89,8

107

120

Тр2=475

12,4

25,3

38

44,2

50,3

91,5

104

140

158

Тр3=500

38,15

48,3

57,5

67

76,3

138,6

178,3

212

240

Тр4=525

97

97

113

135

144,3

281

361

431

520

    Из таблиц 1 и 2 видно, что в зависимости от угла    значения    у обкатанных образцов изменяются от –50 МПа до +10,4МПа. У шлифованных образцов при   значения    изменяются от +32,44 МПа до 232,5 МПа, т.е. они становятся растягивающими напряжениями и при этом на порядок больше, чем у обкатанных.

Касательные напряжения    у шлифованных образцов от 3 до 8 раз больше, чем у обкатанных и изменяются в зависимости от угла    от 5 МПа до 144,3 МПа (у обкатанных образцов) и от 70 МПа до 520 МПа (у шлифованных образцов).

Таким образом, ПКХ-покрытие, нанесенное на обкатанную поверхность гораздо менее напряженно, чем покрытие, нанесенное на шлифованную поверхность.

Анализ зависимостей (5), (6) и расчетных значений нормальных и касательных напряжений (таблицы 1 и 2) показывает, что с увеличением угла    нормальные и касательные напряжения возрастают, причем при подготовке основного металла шлифованием    нормальные напряжения достигают значений   При этом поверхность раздела будет испытывать уже не сжатие (как при подготовке методом ППД), а растяжение, способствующее местному отрыву ПКХ-покрытия от основы. Местные разрушающие напряжения при некотором значении    могут достигнуть предела прочности сцепления ПКХ-покрытия с основой  или предела прочности самого ПКХ-покрытия ( от 150 МПа до 400 МПа). В первом случае должно наблюдаться отслаивание покрытия от основы, а во втором – его расслаивание вблизи поверхности раздела (из-за сложной структуры ПКХ- покрытия, копирующего микрорельеф основного металла).

При подготовке основного металла деталей шлифованием  нормальные напряжения  достигают значений от 32,4МПа до 232 МПа, а касательные напряжения  - значений от 70 МПа до 520 МПа, что превышает предел прочности осажденного ПКХ-покрытия. При этом должно произойти локальное расслаивание покрытия, снижающее эксплуатационные свойства деталей с покрытиями.

Для обеспечения эксплуатационной надежности деталей с ПКХ-покрытиями наибольшую шероховатость подготавливаемой поверхности под осаждение покрытия целесообразно ограничить значениями    от 0,18 мкм до 0,4 мкм (0,18 мкм <Ra<0,4 мкм), а наибольший допустимый угол наклона микропрофиля    ограничить значениями от 4о до 6о. Требуемые значения параметров    достаточно надежно можно обеспечить методами ППД.

 

Литература

1.     Выбор покрытия и способа подготовки поверхности. Coating and treatment selction. Sуan C.S. Matthews, Swift K.G. // Surface Eng. – 1986, 2, № 4-с. – С.249-255 (англ.).

2.     Напряжение в хромовых покрытиях. Intornal stresses in functional chromium electrodeposits / Martуak Nicholas M., Wetterer Sean, Weil Rolf // SAE Tech. Pap. Ser.- 1989. – № 890937. – C.1-8.

3.     Абрамов В.В. Остаточные напряжения и деформации в металлах. – М.: Машгиз, 1963. – 355 с.

4.     Лурье И.А. Теория упругости. – М.: Наука, 1970. – 939 с.

5.     Усов С.В., Дроздов Ю.Н., Китаев Ю.А., Ануфриев А.И. Исследование влияния шероховатости хонингованной поверхности на прочность гальванического хромового покрытия при эксплуатационном нагружении деталей. // Вестник машиностроения, 1984. - № 7. – С. 9-12.

6.     Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. – Киев: Наукова думка, 1984. – 272 с.