11_Stechishin.doc Електрохімічніий метод оцінки кавітаційно - ерозійної зносостійкості покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 66 Стечишин М.С., Білик Ю.М., Мартинюк А.В., Голонжка В.М. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: m-mezon@ukr.net ЕЛЕКТРОХІМІЧНІИЙ МЕТОД ОЦІНКИ КАВІТАЦІЙНО - ЕРОЗІЙНОЇ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ПОКРИТТІВ УДК 621.193.16 В роботі описано спосіб оцінки зносостійкості термодифузійних, і полімеркомпозиційних покриттів при їх кавітаційно-ерозійному зношуванні в середовищах - електролітах. Спосіб ґрунтується на розробленій методиці елек- трохімічних випробувань безпосередньо в процесі кавітації. Ключові слова: покриття, зносостійкість, кавітація. Вступ Для знаходження кавітаційно-ерозійної стійкості найбільшого поширення дістали установки з магнітострикційним вібратором (МСВ), ударно-ерозійні стенди (УЕС) та гідродинамічні труби (ГТ) [1]. При цьому здебільшого кавітаційна стійкість матеріалів визначається за втратами маси, або об’єму за 1 … 3 год проведення випробувань. Недоліком такого способу є те, що структура і фазовий склад, на- приклад, термодифузійних покриттів змінюються по товщині покриття і, відповідно, змінюються втрати маси. Так, при кавітаційному зношуванні сталі 38ХМЮА після газового азотування, швидкість руйну- вання ε-фази при випробуванні на УЕС складає 60 ... 65 мг/год, нітридної зони – 5 мг/год і α-фази – 2 мг/год [2]. Дослідження на установці з МСВ також показали, що швидкість кавітаційного зношування карбідних покриттів залишається постійною лише до границі карбідної складової з зоною легованого ма- теріалу, а далі різко зростає і наступає зона катастрофічного руйнування поверхні [3]. Отже, оцінка каві- таційної зносостійкості покриттів повинна включати оцінку зносостійкості його структурних складових, що дає можливість оптимізувати структуру покриття збільшенням вмісту і глибини залягання кавітацій- но-стійких фаз. Недоліком оцінки зносостійкості полімерних покриттів за втратами маси є неможливість порів- няння результатів випробовувань різних полімерів між собою внаслідок великої різниці густини поліме- рних матеріалів. Крім того, в момент дії кавітаційних бульбашок на двошарові системи з різними акусти- чними властивостями (покриття-підложка), ударні хвилі частково відбиваються від підложки і проходять в зворотньому напрямку, що викликає появу тангенційних напружень і, відповідно, деформацій зсуву ді- лянок поверхні покриття. Останнє зумовлює відшарування покриття від поверхні підложки та наступний відрив відшарованих ділянок покриття. При подальшій кавітації відбувається руйнування основного ма- теріалу (підложки), який також враховують при оцінці зносостійкості покриття. В основу розробленого способу поставлено завдання підвищення точності оцінки довговічності полімерних і полімеркомпозиційних покриттів при їх кавітаційно-ерозійному зношуванні в середовищах- електролітах, отримання порівняльних характеристик стійкості полімерів, оптимізації складу полімер композиційних полімерів за вмістом і співвідношенням компонентів наповнювача, товщини покриття, тощо. Крім того, для оцінки кавітаційної зносостійкості термодифузійних і полімерних покриттів за втратами маси для отримання достовірних даних, час кавітації на установках з МСВ становить біля 60 хв. У такому випадку точність оцінки довговічності знаходиться в межах ± 30 хв, що в багатьох випа- дках приводить до неправильної оцінки зносостійкості покриттів, а також оцінки впливу на зносостій- кість структурних складових термодифузійних та різних за наповненням полімеркомпозиційних покриттів. Методика проведення досліджень Термодифузійне хромування зразків зі сталі 45 і сірого чавуну СЧ20 проводили в негерметичних контейнерах в порошковій суміші (50 % - FeCr2, 43 % - Al2O3 і 7 % - NH4Cl) при температурі 1100 оС і ча- су дифузії до 6 год. Дослідження на кавітаційно-ерозійну стійкість проводили на установці з магніто- стрикційним вібратором (МСВ) при частоті коливань вібратора 22 кГц, температурі 3 %-вого розчину хлориду натрію 23 оС і амплітуді коливань вібратора 36 мкм. Ефективність розробленого способу також досліджувалася на прикладі полімеркомпозиційних покриттів на основі епоксидної смоли ЭД-16, де в якості наповнювача використовувалася суміш, яка складалася з карбідів тугоплавких металів зернистістю 20 ... 100 мкм. Композиція І містила 230 % (за масою), а композиція ІІ – 270 % наповнювача. Отримували також композиції з вмістом наповнювача 130; 170 і 190 % (за масою) [3]. mailto:m-mezon@ukr.net Електрохімічніий метод оцінки кавітаційно - ерозійної зносостійкості покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 67 Випробування проводили на установці з магнітострикційним вібратором (МСВ) в 3 % - му розчині хлориду натрію при температурі розчину 23 ± 2 °С [5]. Виклад матеріалів досліджень Завданням дослідження теродифузійних покриттів була оцінка впливу структурних фазових складових покриття на кавітаційно - ерозійну зносостійкість, підвищення достовірності і точності оцінки довговічності термодифузійних покриттів. Поставлене завдання вирішувалося тим, що оцінка довговічності проводилася не за втратами ма- си або об’єму, а по швидкості руйнування структурних складових покриття: 1( ) /( τ )p i iv m m S−= ∆ − ∆ ∆ ⋅ ; (1) 1( ) /( τ )p i iv V V S−= ∆ − ∆ ∆ ⋅ , (2) де 1−∆−∆ ii mm ; 1−∆−∆ ii VV – втрати, відповідно, маси або об’єму зразка (мг, мм 3) за час про- ведення випробувань τ , год з одиниці поверхні зразка S, см2. Крім того, паралельно потенціостатом знімали залежність потенціал – час випробувань ( τ−ϕ ). Руйнування кожної структурної складової характеризується постійним значенням швидкості руйнування pv і потенціалом ϕ , а їх різкі коливання є свідченням руйнування структурної складової покриття або повного руйнування покриття і початку руйнування основного металу. Час від початку проведення ви- пробування до моменту різкої зміни швидкості руйнування pv , яка виявляється на кривій τpv − слу- жить оцінкою довговічності покриття дτ , що уточнюється за кривою τ−ϕ . Дослідження хромованих в порошках зразків сталі 45 і сірого чавуну СЧ20 на установці з МСВ в 3 %-му розчині хлориду натрію показали (рис. 1), що в початковий період швидкість руйнування зростає, далі на протязі певного часу залишається постійною внаслідок рівномірного руйнування карбідної зони покриття. При руйнуванні карбідної зони швидкість різко зростає так як руйнування зони легованого ма- теріалу проходить шляхом локалізації мікроударного навантаження на дефектах у вигляді пор, включень і по цій причині поширюється в глибину покриття, що поряд з підвищенням швидкості викликає і нерів- номірність руйнування. а б Рис. 1 – Кінетика зміни швидкості руйнування vpтермодифузійно хромованого покриття на сталі 45 (а) та сірого чавуна СЧ20 (б) в 3 %-му розчині хлориду натрію залежно від товщини карбідної зони hз покриття Нерівномірність руйнування карбідної зони покриття також фіксується на кривій потенціал – час кавітації ( τ−ϕ ) різкими коливаннями потенціалу (рис. 2). Електрохімічніий метод оцінки кавітаційно - ерозійної зносостійкості покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 68 Покриття з різною товщиною карбідної зони мають різні швидкості руйнування pv (рис. 1). Так, при тов- щині карбідної зони на сталі 45 hсл = 35; 91; 114; 123,5 мкм, встановлена швид- кість руйнування, відповідно, сягала pv =2,9; 1,5; 20 і 2,7 мг/см 2⋅год, а довго- вічність визначена за цими залежностя- ми становила: 200; 300; 340; 360 хв, від- повідно. З використанням залежностей потенціал-час випробувань ( ϕ − τ ), які отримували безпосередньо в процесі ка- вітаційного руйнування зразків, маємо уточнені значення довговічності, а саме: 242; 306; 340 і 353 хв, відповідно. Термодифузійне хромування сі- рого чавуну СЧ20 проводили аналогічно хромуванню зразків сталі 45. Кавітаційну зносостійкість визна- чали при нижньому розміщенні досліджуваного зразка, що при збільшенні часу випробувань запобігає його розтріскуванню і руйнуванню в місці кріплення. Довговічність покриття з товщиною карбідної зони hз = 38 мкм за кривою швидкість руйнування – час випробування ( τpv − ) становить 720 хв, а за залежністю потенціал час кавітації ( τ−ϕ ), відповід- но, 736 хв. Аналогічно знаходять значення довговічності для інших зразків з різною товщиною карбідної зони. У випадку кавітаційно - ерозійних випробувань підвищення точності оцінки зносостійкості по- лімеркомпозиційних покриттів досягалось тим, що при кавітації зразків у середовищах - електролітах паралельно із їх зважування за певний час проведення випробувань потенціостатом знімали і записували кінетику зміни потенціалу ϕ – τ . Розроблений спосіб відрізняється тим, що оцінка довговічності покрит- тя проводиться не за втратами маси, а за часом загальної працездатності покриття загτ та за часом про- бою покриття τп , які фіксуються на кривій τ−ϕ (рис. 3). а б Рис. 3 – Кінетика зміни потенціалу (1) і втрати маси зразка (2) з композицією І (а) і з композицією ІІ (б) Рис. 2 – Кінетика зміни потенціалу хромованого покриття при кавітації в 3 %-му розчині хлориду натрію (сталь 45, товщина карбідної зони hз = 91 мкм) Електрохімічніий метод оцінки кавітаційно - ерозійної зносостійкості покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 69 Оцінка загального часу працездатності покриття загτ проводиться за часом від початку прове- дення випробувань до моменту різкої зміни потенціалу після досягнення ним значень характерних для зразка без покриття. Подальші різкі коливання потенціалу характеризують руйнування поверхні основ- ного матеріалу. Дослідження показали, що при досягненні часу загτ більше 50 % площі зразка було вільним від покриття. На частині покриття, що залишилося спостерігаються глибокі язви, вириви і рако- вини, які проникають аж до основного металу зразка. Для усіх полімерних покриттів характерна наявність ділянки їх руйнування з постійною швидкістю рv , що описується прямолінійною залежністю на кривій τ−∆т (рис. 3). Ця ділянка відповідає рівномірному зменшенню товщини покриття і незначному відхиленню потенціалу на кривій τ−ϕ від потенціалу основного металу в даному середовищі. Час від початку випробувань до часу до- сягнення потенціалу кривої ϕ − τ значень в межах близьких до значень потенціалу основного металу в даному середовищі приймався за час пробою покриття τп . У цей момент часу внаслідок утворення мікротріщин проходить проникнення мікрооб’ємів середовища в матеріал покриття і, при певних умовах взаємного накладання мікротріщин, досягається контакт середовища з основним металом. Розроблений спосіб оцінки довговічності полімерних і полімеркомпозиційних покриттів за дво- ма параметрами загτ і τп дозволяє підвищити точність оцінки зносостійкості, отримати порівнювальні між собою дані зносостійкості, що особливо важливо при оцінці зносостійкості полімеркомпозиційних полімерів з різним вмістом наповнювача. Він також може бути використаний для оптимізації товщини, вмісту і співвідношення компонентів наповнювача в покритті тощо. У результаті проведених досліджень отримали для композиції І. Загальна працездатність шару покриття загτ =115хв, час пробою шару τп =40хв (рис. 3, а). Для композиції ІІ: загτ = 45 і τп =20хв (рис. 3, б). Втрати маси за 1 год випробувань становлять 54 і 41 мг, відповідно для композиції І і ІІ. Таким чином, за часом пробою композиція І в 2 рази переважає композицію ІІ і в 2,56 рази за часом загальної працездатності, а за втратами маси всього в 1,32 рази. Запропонований спосіб оцінки довговічності також дозволяє знайти оптимальне співвідношення, як у даному випадку, між епоксидною смолою та кількістю наповнювача. Криві залежності загτ і τп від відсотка вмісту наповнювача (рис. 4) показують, що найбільш ефективними є композиції, які містять на- повнювач в межах 190 … 230 %. При меншому вмісті наповнювача (менше 230 %) збільшується τп , що пов’язано з оптимальним співвідношення міцнісних і пружних властивостей покриття. Зі збільшенням вмісту наповнювача дещо зменшується величина τп , але різко зростає загτ , що зумовлено зростанням механічних характеристик шару покриття. Рис. 4 – Залежність загальної довговічності τзаг (1) і часу пробою τn (2) від вмісту наповнювача, % Таким чином, запропонований спосіб [6] дозволяє оптимізувати склад покриття за вмістом на- повнювача. Аналогічно можна провести оптимізацію за гранулометричним складом наповнювача, співвідношенням вмісту карбідів, товщини покриття. Електрохімічніий метод оцінки кавітаційно - ерозійної зносостійкості покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 70 Висновки 1. В результаті проведених досліджень розроблено спосіб оцінки довговічності термодифузійних карбідних покриттів за швидкістю руйнування карбідної зони, а уточнене значення довговічності визначається аналізом кінетики зміни потенціалу в процесі кавітаційного руйнування покриття. 2. Розроблено також спосіб знаходження довговічності полімерних і полімеркомпозиційних покриттів при їх кавітаційно-ерозійному зношуванні в середовищах-електролітах, що включає отримання кінетичної кривої втрат маси т∆ − τ , а оцінка довговічності покриття проводиться за часом загальної працездатності загτ і часом його пробою τп , які фіксуються на кривій ϕ − τ і узгоджуються з відповідними змінами кривих кінетики втрат маси т∆ − τ . Література 1. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационно-стойкие сплавы. – М.: Металлургия, 1972. – 192с. 2. Юргенсон А.А. Азотирование в энергомашиностроении. – М.: Машгиз, 1962. – 131с. 3. Стечишин М.С. Кавітаційно-ерозійна зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в середовищах харчових виробництв / М.С. Стечишин, О.О. Білецький, А.І. Береговий, А.В. Мар- тинюк // Вісник ТНТУ. – 2012. – №2. – С. 63-71. 4. Стечишин М.С. Зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в корозійно- активних середовищах / М.С. Стечишин, В.В. Форкун, А.І. Береговий, Ю.М. Білик // Проблеми трибології. – 2011 – №4 – С. 12-19. 5. Мартинюк А.В. Кавітаційно-ерозійна зносостійкість полімерних матеріалів в середовищах ха- рчових виробництв: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня к. тех. наук: спец. 05.02.04 «Тертя та зношу- вання в машинах» / А.В. Мартинюк; ХНУ. – Хмельницький, 2013. – 21 с. 6. Пат. № 55103 UA, МПК G01N 3/56. Спосіб оцінки довговічності полімерних і полімеркомпозиційних покриттів при їх кавітаційно-ерозійному зношуванні в середовищах-електролітах / М. С. Стечишин, Н. М. Стечишин, О. О. Білецький, А. В. Мартинюк ; заявник і патентовласник Хмель- ницький нац. університет. – № u 201004888 ; заявл. 23.04.2010 ; опубл. 10.12. 2010, Бюл. № 23, 2010 р. Поступила в редакцію 18.09.2014 П р о б л е м и т р и б о л о г і ї “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” E-mail: tribosenator@gmail.com mailto:tribosenator@gmail.com Електрохімічніий метод оцінки кавітаційно - ерозійної зносостійкості покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 71 Stechishin M.S., Billik Y.M., Martinyuk A.V., Golongka V.M. Electrochemical methods of wear resistance de- posited on the metal surface. The methods of estimation of cavitacion-erosion wearproofness of thermal diffusion chromic coverage’s and poly- mercomposit coverages are in process described on carbon steel 45 and grey cast-iron of СЧ20. The thermal-diffusion chrome-plating was conducted inpowders untight containers at the temperature of 1100 oС and to time of diffusion 6 hours. Polymercomposit of plated consisted of basis – epoxy resin of ED- 16, and as a filler used mixture o carbides of refractory metals the grittiness of 20 … 100 µm. Got compositions with content of filler 130, 170, 190, 230 and by 270 mass). Tests conducted on setting with a magnetostriction vibrator in a 3% solution of chloride of natrium at the tempera- ture of solution 23±2 oC. The estimation of cavitacion-erosion wearproofness of thermal-diffusion chromic coverages was estimated after speed of losses mass or volume of plated, but not after the losses of mass. At the same time took off dependence potential- time of realization of cavitacion tests ( τ−ϕ ) after that specified time of destruction of carbidic constituent of coverage (time of longevity τд ) exactness of estimation here rises from ± 30 min to ± 1min. At tests polymer of composition coverages the estimation of their longevity was conducted at times general capac- ity of coverage and at times hasp of coverage . The worked out method allows to promote exactness of estimation of wear- proofness, to conduct optimization of thickness, content and ratio of components of filler in plated. Keywords: floor, durability, cavitation. References 1. Bogachev I.N. Cavitacionnoe razrushenie i cavitacionno-stoykie splavu. M.: Metalurgiya, 1972. 192s. 2. Yurgenson A.A. Azotirovanie i energomashinostroenie. M.: Mashgiz, 1962. 131s. 3. Stechishin M.S. Kavitaciyno-eroziyna znosostiykist zmicnenuh poverhon konstrukciynuh staley v seredovishchah harcovih vurobnuctv. M.S. Stechishin, O.O. Bileckiy, A.I. Beregovuy, A.V. Martunyuk. Visnuk TNTU. 2012. №2. S.12-19. 4. Stechishin M.S. Znosostiykist zmicnenuh poverhon konstrukciynuh staley v koroziyno-aktuvnuh seredovushchah. M.S. Stechishin, V.V. Forkun, A.I. Beregovuy, Y.M. Biluk. Problemu trubologii: Khmelnickiy. 2011 №4. S.12-19. 5. Martinyuk A.V. Kavitaciyno-eroziyna znosotiykist polimernuh materialiv v seredovushchah har- chovuh vurobnuctv: avtoref. dis. na zdobuttya nauk. stupenya k. the. nauk: spec. 05.02.04 «Tertya ta znoshu- vanya v mashinah». HNU. Khmelnickiy, 2013. 21s. 6. Pat. № 55103 UA, MPK G01N 3/56. Sposib ocinku dovgovichnosti polimernuh I polimerkompo- zuciynuh pokruttiv pru ih cavitaciyno-eroziynomu znoshuvanni v seredovushchah-elektrolitah. M.S. Stechishin, N.M. Stechishin, O.O. Bileckiy, A. V. Martinyuk; zayavnuk I patentovlasnuk Khmelnuckuy nacionalniy univer- sutet. – № u 201004888; zayavl. 23.04.2010; opubl. 10.12.2010, byl. № 23, 2010r.