Закономерности процесса нанесения покрытия на прессуемый профиль

При реализации процессов нанесения покрытий кроме качества адгезии существенное значение имеет их толщина. Для выявления параметров, влияющих на толщину покрытия, проводились исследования с использованием оснастки, моделирующей реализацию рассматриваемой технологии.

Перед нанесением покрытия в поперечные полости матрицы 1 (рис. 1.22), запрессованной в контейнер 2, помещали заготовки из материала покрытия, выполненные по форме полости, и вставляли пуансоны 3. Контейнер вместе с содержимым и опору 5 устанавливали на стол пресса, подвешивали бандаж 4, а заготовку из материала основы помещали во вставку 6. Затем на бандаж устанавливали кольцо 7, прижим 8 и во вставку 6 помещали толкатель 9. После подготовки оснастки включали пресс и наносили покрытие при перемещении заготовки под действием толкателя относительно поперечно подаваемых заготовок из материала покрытия. Пуансоны взаимодействовали с сужающейся внутренней конической поверхностью бандажа.

 

Закономерности процесса нанесения покрытия на прессуемый профиль

Рис. 1.22. Конструкция устройства для моделирования

процесса нанесения покрытия: 1 — матрица; 2 —контейнер; 3 — пуансон; 4 — бандаж; $ — опора; 6 — вставка; 7 — кольцо; 8 — прижим; 9 — толкатель; а — угол конусности бандажа

 

В многочисленных работах по сварке материалов при их механическом соединении даются фактически непротиворечащие друг другу объяснения взаимодействия как с точки зрения самоорганизации процессов, так и с позиций теории твердофазных топохимических реакций и теории дислокаций или, например, с позиции энергетической гипотезы. Несмотря на это, выбор технологических параметров, обеспечивающих хорошее качество соединения материалов, осуществляется экспериментально. В связи с этим, а также для сокращения числа экспериментов выбор технологических параметров проводили непосредственно при нанесении покрытий.

В качестве материала основы выбрали сталь 10, а покрытия — медь. Для исследований использовали стальные образцы диаметром 10 мм. Перед первым нанесением покрытия медные заготовки выполняли по форме поперечных полостей (см. рис. 1.22), а в дальнейшем после каждого нанесения покрытия в эти полости помещали шайбы толщиной 0,4 мм (внутренний диаметр матрицы был 9,8 мм, вставки — 10,2 мм).

При холодной обработке металлов давлением медь используют в качестве смазочного материала. Учитывая это, в исследованиях по нанесению покрытия образцы нагревали до температуры ~ 400 °С. При этом использовали бандаж 4 с а- 1°30′, обеспечивающим пластическую деформацию поверхности стальной заготовки. После осуществления процесса на боковой поверхности стального образца в местах подачи на нее материала покрытия присутствовал слой меди, шелушение которого свидетельствовало о недостаточной адгезии; нанесенный слой меди легко отделялся иглой. Образец с покрытием разрезали поперек, поверхность среза одной из его частей отполировали.

Травление полированной поверхности образца осуществляли 4 % раствором азотной кислоты. На снимке участка поверхности образца между медным покрытием и стальной основой присутствует оксидная прослойка, образовавшаяся в результате частичной заштамповки оксидов после редуцирования (рис. 1.23, а, участок 1) и окисления при завершении процесса нанесения покрытия. Оценивая толщину нанесенного слоя, видимо, необходимо исходить из величины шероховатости стального образца, поскольку очевидно, что в случае идеально гладкой поверхности достижение толщины покрытия большей, чем микронеровностей, невозможно. Поэтому считали, что толщина нанесенного покрытия при данных условиях равна примерно 6 мкм, но между выступами микронеровностей она может достигать 36 мкм.

Разработанная опытная оснастка в силу ее несовершенства требовала определенных навыков по наладке перед каждым нанесением покрытия на заготовку: контейнер нагревали вместе с материалом покрытия, а стальную заготовку — одновременно с контейнером. Нагрев контейнера необходим для уменьшения скорости охлаждения в нем стальной заготовки. Чтобы не допустить разупрочнения контейнера с находящимся в нем инструментом, его нагревали до 400…420 °С.

Стальную заготовку перед следующим экспериментом нагревали до — 500 °С. После нанесения покрытия на боковой поверхности стального образца в местах подачи на нее материала покрытия оставался слой меди. При измерении величины адгезии наблюдали отрыв покрытия и его отделение, но не по всей поверхности заготовки. Это свидетельствовало о повышении прочности сцепления материала покрытия с основой по сравнению с предыдущим экспериментом.

Закономерности процесса нанесения покрытия на прессуемый профиль

 

После разрезания образца и подготовки поверхности среза были получены ее снимки (см. рис. 1.23, б). Между медным покрытием и стальной основой находится прослойка из оксидов. Причины ее образования аналогичны причинам возникновения прослойки у образцов, полученных при нагреве взаимодействующих материалов до 400 °С. Толщина нанесенного покрытия равна примерно 18 мкм, между микронеровностями она достигает приблизительно 28 мкм.

Для следующего эксперимента использовали бандажное кольцо с углом конусности внутренней поверхности а = 30′. Стальную заготовку нагревали до — 600 °С, а контейнер — до 400 °С. При механическом воздействии иглой полученное медное покрытие от стальной основы не отделялось, а на его поверхности оставались лишь царапины.

На рис. 1.23, е> г представлены снимки участков протравленной поверхности среза этого образца. Между медным покрытием и стальной основой имеются участки с заштампованной оксидной прослойкой (см. рис. 1.23, в). На рис. 1.23, г представлен фрагмент поверхности, где оксидной прослойки нет (резкость при фотографировании наводили по границе взаимодействующих материалов, поскольку при 1000-кратном увеличении становилось заметным отклонение от плоскостности полированной поверхности). Снимки участков поверхности поперечного среза образца и результаты механического воздействия на покрытие свидетельствуют об образовании металлических связей между материалами покрытия и основы. Толщина нанесенного покрытия была примерно 2 мкм, между микронеровностями — 4 мкм.

В проведенных экспериментах усилие прижима материала покрытия к основе снижалось с уменьшением угла конусности внутренней поверхности бандажа (см. рис. 1.22). Поэтому можно утверждать, что толщина наносимого покрытия зависит от усилия прижима и уменьшается при его снижении.

Очистка поверхности основы и обеспечение прочного качественного (на уровне установления металлических связей) соединения взаимодействующих материалов могут проводиться не только за счет редуцирования, но и за счет истечения излишков наносимого материала покрытия в сторону, противоположную направлению перемещения материала основы.

Для анализа полученных результатов было целесообразно проверить качество покрытия, нанесенного в отсутствие обратного истечения материала, так как при этом снижался бы расход материала покрытия, и без редуцирования, поскольку в этом случае уменьшались бы энергозатраты. Для этого стальную заготовку сделали ступенчатой и на окисленную после нагрева поверхность меньшего, чем внутренний диаметр вертикального канала матрицы 1 (см. рис. 1.22), диаметра нанесли покрытие. В экспериментах использовали бандажное кольцо с а = 1°. Стальную заготовку нагревали до 600 °С, а контейнер до 400 °С. Поперечный разрез образца делали в той его части, где покрытие наносилось при наличии зазора между поверхностью стального образца и матрицей, через которую подавался материал покрытия. На рис. 1.23, д представлен снимок участка протравленной поверхности этого образца. Между медным покрытием и стальной подложкой находилась прослойка сплошной оксидной пленки. Это не обеспечивало качественного соединения материала покрытия с основой даже на отдельных участках, несмотря на увеличение усилия прижима материала покрытия по сравнению с предыдущим экспериментом. Толщина оксидного слоя и меди была 24…36 мкм.

Таким образом, для получения достаточной адгезии, соизмеримой с пределами текучести взаимодействующих материалов, необходима предварительная очистка поверхности основы.

Толщина наносимого покрытия при наличии зазора между основой и инструментом, через который подается материал покрытия, будет равна величине этого зазора, уменьшенного на разность термоупругих перемещений материала основы и изменений размеров канала инструмента на выходе. Иначе говоря, толщина покрытия будет определяться зазором между основой и инструментом при осуществлении процесса нанесения, поскольку термоупругой усадкой покрытия из-за его незначительной толщины можно пренебречь.

В результате проведенной экспериментальной работы доказана возможность получения на стальных изделиях медного покрытия микронной толщины с высокой адгезией (на уровне пределов текучести взаимодействующих материалов). Установлено влияние на толщину наносимого покрытия таких технологических параметров как усилие прижима и состояние пластичности материала основы, а также конструкционных особенностей оснастки при осуществлении процесса нанесения покрытия и размерных параметров инструмента в зоне взаимодействия материалов основы и покрытия.

Комментариев нет »

Комментариев нет.

RSS-лента комментариев к данной записи. TrackBack URI

Оставить комментарий