Методы контроля качества покрытий

Контроль качества покрытий – важнейшие операции в технологическом процессе. Различают три стадии контроля:

 1) предварительный контроль – контроль исходного состояния материала покрытия; поверхности изделий и материала покрытия; рабочих газов; состояния оборудования и др.;

2) промежуточный контроль – контрольные операции непосредственно процесса нанесения покрытия (отслеживается постоянство параметров режима; первая и вторая стадии контроля позволяют получать заданные эксплуатационные свойства нанесенных покрытий);

3) окончательный контроль – контроль нанесенных покрытий. Следует отметить, что при соблюдении постоянного контроля на первой и второй стадии можно исключить или свести к минимуму операцию окончательного контроля. Предварительные и промежуточные контрольные операции существенно зависят от технологического процесса. В связи с этим их целесообразно рассматривать применительно к различным методам и конкретным технологиям нанесения покрытий. Окончательный контроль покрытий целесообразно разделить на две группы: общие и специальные операции.

К общим контрольным операциям применительно к любым покрытиям относят определение качественных показателей: адгезионной и когезионной прочности, количества несплошностей, остаточных напряжений и структурного состояния материала покрытия. Контролируется также толщина покрытия и допустимый уровень разнотолщинности по поверхности покрытия.

Специальные контрольные операции выбирают в зависимости от условий эксплуатации изделий с нанесенными покрытиями. Это могут быть методики контроля износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости, теплозащиты и многие другие.

На первом этапе окончательного контроля обязательно проводят внешний осмотр поверхности покрытия визуально или при небольшом (5 – 10 раз) увеличении. При этом обнаруживаются многие дефекты покрытия: вспучивания; местные отслаивания; включение инородных частиц; наросты на острых кромках, трещины и другие. В процессах серийного производства исследуемую поверхность сравнивают с эталонами. Оговариваются допустимые дефекты в зависимости от эксплуатационных требований. Большинство методов контроля оценивают по качественным и количественным показателям. Различают неразрушающие и разрушающие методы контроля. К неразрушающим методам относят: контроль внешнего вида, измерение толщины и шероховатости, сквозной пористости, некоторые методы оценки прочности сцепления. Разрушающие методы контроля применяют при испытании образцов: на отрыв покрытия; общую и открытую пористость; износостойкость применительно к реальным условиям и др.

Неразрушающий контроль позволяет диагностировать состояние покрытия непосредственно на изделии по всей поверхности, поэтому его широко используют в практике машиностроения при производстве ответственных изделий авиационного и космического назначения, атомных реакторов и др. Наибольшее распространение получили следующие методы: визуальнооптические; капиллярные; магнитные; радиационные; вихревых потоков; тепловые; электрические и др.

Обычно качество нанесенных покрытий оценивается следующими основными показателями:

– прочностью сцепления покрытия с основным материалом изделия (адгезионная прочность σа);

– прочностью материала самого покрытия (когезионная прочность σк);

– количеством несплошностей в покрытии (пористость П);

– уровнем остаточных нагружений (ОН).

Прочность сцепления покрытия или, как часто называют, адгезионная прочность, относится к наиболее важным показателям качества покрытий. Практически всегда стремятся получить максимально высокие значения адгезионной прочности (σа → max), что обеспечивает надежность покрытий в процессе эксплуатации изделий. При невысокой адгезионной прочности часто наблюдается отслаивание покрытий. При нанесении внутренних покрытий понятие адгезионной прочности утрачивает смысл.

Прочность материала самого покрытия отождествляют с когезионной прочностью. Обычно в практике нанесения покрытий стремятся получать максимальные ее значения (σк → max), однако иногда этого не требуется, например, когда покрытия выполняют роль срабатываемого уплотнения в раз- 46 личных конструкциях турбинных установок. Наиболее высокие значения σк характерны для внутренних покрытий, близких по величине к σк материала изделия.

Пористость покрытий П во многом определяется количеством различного рода несплошностей (часто их обобщают под названием пористость). Обычно при нанесении покрытий стремятся к минимальным значениям пористости (П → min), что ведет к возрастанию адгезионной и когезионной прочности покрытий. Наличие несплошностей резко снижает коррозионную стойкость и жаростойкость покрытий, и многие другие эксплутационные параметры. В этом отношении выгодно отличаются внутренние покрытия с практически нулевой пористостью. Встречаются покрытия, в которых пористость играет положительную роль, например теплозащитные и ряд других покрытий.

Остаточное напряжение. Наличие в покрытиях остаточных напряжений высокого уровня крайне нежелательно, так как это приводит к снижению адгезионной прочности, отслаиванию покрытия в процессе эксплуатации, существенно уменьшается надежность работы покрытия. Особенно опасны остаточные напряжения, возникающие на границе раздела покрытие - основной материал. В этом отношении предпочтительнее внутренние покрытия, в которых отсутствует четкая граница раздела.

Анализ основных показателей качества внешних и внутренних покрытий, несомненно, показывает преимущества последних. Внутренние покрытия отличаются большей надежностью при эксплуатации изделий, обусловленной высокими значениями когезионных связей в поверхностном слое и минимальным количеством несплошностей при допустимом уровне остаточных напряжений. Кроме того, внутренние покрытия не меняют размеры изделий, практически и их массу, не требуют дорогостоящей последующей обработки. Однако их возможности ограничены. Внешние покрытия позволяют получать поверхность с более разнообразными физико-химическими свойствами. Кроме того, внутренние покрытия мало пригодны для восстановления после эксплутационных поверхностей изделий, особенно в результате износа.

При разработке технологического процесса необходимо руководствоваться в первую очередь вышеизложенными закономерностями изменения качества покрытий.

Прочность покрытий на четко выраженной границе раздела называют прочностью сцепления или адгезионной прочностью (σа).

 Для внутренних покрытий и покрытий, формирующихся на расплавленной поверхности, отсутствует четкая граница раздела, поэтому данный параметр качества покрытия для них не определяется.

В зависимости от технологии нанесения и толщины покрытия существует множество методов оценки адгезионной прочности.

Испытания на отрыв. При испытании создают напряжение на границе раздела покрытия с основным материалом. Большое применение получили разновидности клеевых или паяных, а так же штифтовых методик. Статистика показала, что при нагружении отрыв часто происходит не только по поверхности раздела, но и по материалу покрытия. Такое разрушение наиболее вероятно при невысокой когезионной прочности покрытия и наличии в нем различных несплошностей. Обычно разрушение цилиндрического стыка начинается с периферии образца и затем распространяется на остальную площадь. Неравномерное разрушение поверхности покрытия, обусловленное одновременным действием не только нормальных напряжений, но и частично касательных, не позволяет получить истинные значения адгезеонной прочности покрытия.

Следует отметить, что при испытании на отрыв по штифтовой методике (штифтовой пробе) необходимая толщина покрытия должна составлять не менее 0,2 – 0,3 мм. В противном случае возможен срез покрытия по периферии образца. Штифтовые пробы наиболее пригодны для оценки адгезионной прочности порошковых покрытий, в меньшей мере твердофазных.

Клеевые или паяные пробы могут быть использованы для любых покрытий. Толщина покрытия, как правило, не регламентируется. Следует учитывать возможность капиллярного затекания клея или припоя в несплошности покрытия в процессе изготовления пробы. При наличии сквозной пористости происходит увеличение адгезионной прочности исходного образца.

Испытания на срез (сдвиг). При этом методе испытаний, также применяются клеевые (паяные) или штифтовые пробы. Практика испытаний показала зависимость адгезионной прочности от размеров площади разрушения. Отмечена особенность неравномерного нагружения образцов по покрытию, что затрудняет получение истинных значений прочности сцепления при сдвиге.

Испытания адгезионной прочности покрытий позволили выявить ряд закономерностей, полученных в одинаковых условиях нанесения покрытий:

1. Влияние размерного фактора. Например, при испытании на отрыв с увеличением диаметра напыленного образца прочность сцепления существенно возрастает.

2. Влияние толщины покрытия. При газотермическом напылении (порошковые покрытия) прочность сцепления резко падает с увеличением толщины покрытия.

3. Влияние метода испытания. В большинстве случаев прочность при испытании на сдвиг значительно более высокая, чем при испытании с отрывом покрытия σ_от.

Наряду с количественными оценками адгезионной прочности покрытий широко используются и качественные. Их целесообразность заключается в сопоставлении полученных результатов применительно к конкретным технологиям. Наибольшее применение получили следующие методики: испытание на изгиб; испытание царапанием; испытание циклической ударной нагрузкой и испытание вдавливанием.

Испытание на изгиб. Покрытие наносится на плоский образец. В процессе изгиба на поверхности покрытия появляется трещина. Качественный показатель оценивается по углу изгиба.

Испытание царапанием. Резцом поверхность покрытия прорезается двумя параллельными канавками. Отслаивание происходит при минимальном расстоянии между канавками.

Испытание циклической ударной нагрузкой. Прочность сцепления определяется числом ударов при сбрасывании ударного инструмента (шарика, блока и т.д.) на определенный участок поверхности покрытия.

Испытания вдавливанием. Стальной твердый шарик вдавливается в поверхность основного материала с противоположной покрытию стороны. Визуально оценивается деформированное состояние покрытия в месте деформации. Например, испытывают плоский образец толщиной 1,5 – 2,0, длиной 75 и шириной 45 мм.

Наряду с отмеченными оценками применяют для качественной оценки кручение, износ, термоциклирование и др.

Исключительно важны неразрушающие методы контроля адгезионной прочности для дальнейшего развития технологических процессов при нанесении покрытий. Наибольшего внимания заслуживает применение ультразвукового контроля, позволяющего распознавать на границе раздела различные дефекты: поры, трещины, местные отслоения и др. По их количеству и распространению осуществляют качественную оценку состояния границы раздела, а следовательно, и уровень адгезионной прочности (хороший, умеренный, слабый). В производстве нашли применение три варианта ультразвуковой дефектоскопии: зеркально-теневой с отражением от границы раздела; то же с отражением от данной поверхности и сквозные прозвучивания. Перспективно для оценки адгезионной прочности совмещать ультразвуковую технику с оптической голографией.

Прочность материала покрытия (когезионная прочность) σк – важнейший параметр его качества. Большинство эксплуатационных требований связано с необходимостью получения покрытий с высокими значениями ­нна­­ионной прочности. При нанесении твердофазных покрытий и покрытий, формирующихся из расплавленного состояния, прочность материала покрытия достаточно высокая. Оценка когезионной прочности таких покрытий не производится. Тонкие покрытия и пленки (единицы микрон и менее), полученные из атомарных потоков, из-за несовершенства кристаллического строения имеют невысокие показатели когезионной прочности. Однако методы их количественной оценки весьма затруднены. Количественная оценка когезионной прочности применяется в основном для порошковых покрытий ­нна­метрового диапазона.

Количественные оценки когезионной прочности в основном проводятся на растяжение и изгиб.

Для испытаний на растяжение применяется несколько методик, из которых наиболее часто – трубчатый метод.

Для определения когезионной прочности используют образцы с клеевыми и паяными покрытиями. Испытания проводят на отрыв или растяжение в направлении увеличения толщины покрытия.

При испытаниях материала покрытия на изгиб используют образцы прямоугольной формы, изготовленные из отделенных от основы покрытий.

Предел прочности покрытий в 2 – 3 раза ниже прочности исходного материала в литом или деформированном состоянии.

Для оценки когезионной прочности покрытий применяются и качественные испытания, например аналогичные описанным применительно к анализу адгезионной прочности. Когезионную прочность можно удовлетворительно оценить при замере твердости по Роквеллу и Виккерсу – невысокие значения показателей твердости свидетельствуют о слабых межчастичных связях в материале покрытия, что подтверждается также размытым отпечатком при измерении твердости по Виккерсу. Часто для анализа когезионной прочности используют металлографические исследования покрытий.

Эксплуатационные свойства изделий с нанесенными покрытиями в значительной мере зависят от остаточных напряжений, формирующихся как в материале покрытия, так и в поверхностных слоях основного материала на границе раздела. Как правило, наиболее высокий уровень остаточных напряжений наблюдается на границе раздела. В зависимости от свойств материалов покрытия и изделия (основного материала), условий формирования покрытий, его толщины и ряда других факторов возможно образование как растягивающих, так и сжимающих напряжений. Если величина остаточных напряжений в материале покрытия близка к пределу прочности, то происходит либо отслоение покрытия, либо образование в нем трещин. Считают, что остаточные напряжения оказывают влияние на механические, физические и химические характеристики покрытия. Следует различать остаточные напряжения во всем объеме покрытия – макронапряжения и в отдельных его участках – микронапряжения. Особенно неблагоприятны объемные макронапряжения. Локальные микронапряжения более склонны к релаксации. Надежность и эксплуатационные характеристики в основном зависят от качества нанесенных покрытий. Микро- и макронапряжения в основном материале не оказывают существенного влияния. Поэтому в дальнейшем остаточные напряжения будут рассмотрены только применительно к материалу покрытия.

Большое влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства изделий с нанесенными покрытиями приводит к необходимости эффективного контроля этого параметра качества. Механизм и кинетика формирования остаточных напряжений в покрытиях достаточно изучены и опубликованы. При разработке технологического процесса нанесения покрытия необходимо руководствоваться следующими положениями:

– значения коэффициентов термического расширения основного материала и материала покрытия должны быть максимально близки (КТРО = КТРП); при большой разнице их величин следует прибегать к нанесению промежуточных слоев;

 – необходимо максимальное увеличение адгезионной прочности покрытий, так как на границе раздела наиболее высокий уровень напряжений;

– при формировании покрытий следует тормозить образование усадочных процессов;

– целесообразно выбирать минимальные значения толщины покрытия.

 Для контроля остаточных напряжений применяют неразрушающие и разрушающие методы. Особенно целесообразны неразрушающие методы, так как они позволяют осуществлять контроль непосредственно на изделии без его разрушения. Наибольшее применение получили физические методы: рентгеновский и распространение в покрытии упругих волн.

Рентгеновский метод базируется на изменении напряженности кристаллической решетки под воздействием остаточных напряжений. Измеряется изменение угла отражения проникающего излучения при деформации кристаллитов. Определение остаточных напряжений распространением упругих волн осуществляется с применением акустических преобразователей или монохроматических когерентных потоков излучения (лазеров). Физические методы контроля позволяют получать в основном качественную оценку напряженного состояния покрытия преимущественно локального характера, наиболее достоверные результаты – при контроле покрытий с высокой однородностью и минимальной анизотропией. Количественные методы оценки остаточных напряжений связаны с измерением деформационных процессов в покрытии и основном материале. Часто используют методику определения величины остаточных напряжений по кривизне напыленного прямоугольного образца. В этом случае покрытие наносят на длинную, узкую и тонкую пластину (основной материал). Покрытия различной толщины (δпк) из молибдена, никелевого сплава и оксида алюминия напыляли плазменным и газопламенным методами. Многочисленные исследования показали, что, когда КТР покрытия больше КТР основы (КТРп > КТР0), в покрытии возникают остаточные напряжения растяжения σр. В других случаях (КТРп < КТРо) в покрытиях формируются остаточные напряжения сжатия σсж. Остаточные напряжения деформируют пластину. По радиусу кривизны определяют среднюю величину остаточных напряжений в покрытии.

Для определения остаточных напряжений по толщине покрытия при заданном его значении применяется последовательное снижение толщины слоя различными способами: шлифованием или травлением покрытия. Наиболее часто используют травление в гальванических ваннах. Роль анода выполняет образец с нанесенным покрытием. Для определения модуля упругости материала покрытий (Епк) разработаны соответствующие методики. Обычно для этих целей изготавливают специальные образцы. Для испытаний требуется сложное регистрирующее и измерительное оборудование и аппаратура. А. Ф. Пузряковым разработана оригинальная методика определения модулей упругости покрытий при плазменном напылении: испытуемое покрытие напыляют на торцевые поверхности изделия типа поршневого кольца, сжатого до рабочего зазора; модуль упругости определяют исходя из условия равенства сжимающих и разжимающих усилий в зазоре.

 

 

Список литературы

1. Биронт, В.С. Нанесение покрытий[Текст] : учебное пособие для студентов вузов. / В.С. Биронт. - Красноярск. ГАЦМиЗ, 1994. - 160 с.

2. Бобров, Г.В. Нанесение неорганических покрытий (теория, технология, оборудование) [Текст]: учебное пособие для студентов вузов. / Г.В. Бобров, А.А. Ильин. - М.: Интермет Инжиниринг, 2004. – 624 с.

3. Вайнер, Я.В. Оборудование цехов электрохимических покрытий [Текст] / Я.В. Вайнер, М.А. Дасоян. Л.: Машиностроение, 1971. – 288 с.

4. Вайнер, Я.В. Технология электрохимических покрытий [Текст] / Я.В. Вайнер, М.А. Дасоян. Л.: Машиностроение, 1972. – 463 с.

5. Вишенков, С.А. Химические и электрохимические способы осаждения металлопокрытий. [Текст]/С.А. Вишенков. М.: Машиностроение. 1975, - 311 с.

6. Крылова, И.А. Электроосаждение как метод получения лакокрасочных покрытий [Текст] / И.А. Крылова, Л.Б. Котлярский, Т.Г. Стуль - М.: Химия, 1974. - 136 с.

7. Кудрявцев, Н.Т. Электролитические покрытия металлами [Текст] / Н.Т. Кудрявцев – М : Химия, 1979, - 352 с.

8. Лайнер, В.И. Защитные покрытия металлов [Текст]/ В.И. Лайнер, - М.: Металлургия, 1974. – 560 с.

9. Нанесение покрытий на металлы: Методические указания к выполнению лабораторных работ для специальности 150108 «Композиционные и порошковые материалы, покрытия» [Текст] / сост.: В.А. Сущих. – Красноярск: КИЦМ, 1994. 27 с.

10.Никандрова, Л.И. Химические способы получения металлических покрытий. [Текст] / Л.И. Никандрова. – Л.: Машиностроение, 1971. 101 с.

11.Темкина, Б.Я. Прогрессивная технология нанесения гальванических и химических покрытий [Текст]/ Б.Я. Темкина. – М.: Машгиз, 1962. – 175 с.

12.Хокинг, М. Металлические и керамические покрытия [Текст]/ М. Хокинг, В. Васантасри, П.Сидки. – М.: Мир, 2000. – 516 с.

13. Андреева, А.В. Основы физикохимии и технологии композитов [Текст] / А.В. Андреева. – М.: Издательское предприятие редакции «Радиотехника», 2001. - 191с.

14. Борисенко, С.И. Альбом оборудования окрасочных цехов [Текст] / Борисенко С.И. Майзель Б.Ц. Окунь Б.Ц. – М.: Химия, 1975.- 320 с.

15. Вольберг В.В., Устройство и эксплуатация оборудования для металлопокрытий и окрашивания. [Текст] / В.В. Вольберг, А.Ю. Волков. М.: Высшая школа. 1991., 333 с.