Témata
Reklama

Zbytková napětí v povlacích žárových nástřiků

Tento článek se snaží nastínit problematiku zjišťování zbytkových napětí v povlacích žárových nástřiků, přesněji jejich kvalitativního vztahu k parametrům žárového nástřiku, v podmínkách poměrně jednoduše realizovatelného experimentu.

Hlavním zkoumaným geometrickým parametrem, o který se opírá analytický aparát odvozený z podmínek klasické teorie pružnosti, je křivost dvojice daná momentovou rovnováhou mezi tenkým ocelovým substrátem známých vlastností a povlakem žárového nástřiku neznámých vlastností (se zjednodušeným předpokladem, že pružnostní vlastnosti substrátu i povlaku jsou dány pouze modulem pružnosti a Poissonovým poměrem). Neznámých proto, že zmíněný modul pružnosti a Poissonův poměr takto na sobě položených vrstev (deformovaných částic - angl. splats), které tvoří výslednou strukturu povlaku, se významně liší od hodnot, které byly charakteristické pro tento materiál před nástřikem. Konkrétně modul pružnosti klesá u různých povlaků na zlomky hodnot v rozmezí 1/3 až 1/16.
Reklama
Reklama
Reklama

Princip měření křivosti

Celý postup experimentu byl odvozen z filozofie tzv. "Almen strip" testu. V originálním provedení se takto kontroluje reprodukovatelnost procesu tryskání (angl. shot peening) ke zvýšení únavové životnosti strojních součástí. Test je založen na úvaze, že při tryskání tzv. Almen měrka (páska o rozměrech 19 x 76 mm a tloušťce podle typu měrky 0,79 až 2,39 mm, z materiálu odpovídajícímu přibližně oceli 12 060) vlivem plastických deformací v povrchových vrstvách mění svou křivost charakteristickým způsobem. Na křivce, která popisuje intenzitu tryskání (reprezentovanou křivostí) v závislosti na čase, je pak rozhodující tzv. bod saturace, který vyjadřuje, že za určitý čas bylo dosaženo požadovaného zpevnění s jistým napěťovým profilem kolmým k rovině povrchu, na nějž dopadaly sférické částice. Interpretace křivosti k tomuto napěťovému profilu je však obtížná. Je to proto, že jedna křivost může být dána několika různými napěťovými profily. Přísně vzato, z takového uspořádání zkoušky nemůžeme obdržet dostatečné informace k jednoznačné identifikaci zbytkových napětí zpevněného povrchu, ale k výše popsanému účelu je zkouška plně dostačující. O tom svědčí to, že od r. 1935 se uvedený postup provádí téměř beze změn. Závěrem poznamenejme, že celý proces probíhá za studena.
Poslední dobou se v literatuře objevují názory podložené i experimentálními pracemi, že výše uvedený princip lze s určitými úpravami využít i pro potřeby žárového nástřiku. Na rozdíl od předcházejícího však tento proces probíhá za tepla, což ještě více komplikuje úlohu určit napěťový profil kolmý k rozhraní substrát - povlak. Potřeba znalosti situace zbytkových napětí ve dvojici a v jejím rozhraní je zřejmá. Zbytková napětí se totiž skládají s provozním napětím, což při nevhodné interferenci může vést k předčasnému selhání povlaku. Naopak tlakové předpětí, zvláště u keramických povlaků, lze s výhodou zakalkulovat ke zvýšení životnosti.

Základní analytické úvahy

Postavíme-li uvedenou úlohu jako optimalizační test parametrů žárového nástřiku, lze pro začátek vyslovit hypotézu, že tyto parametry jsou optimální, pokud křivost měrky je minimální. To samozřejmě platí za současného dodržení ostatních optimálních vlastností povlaku (přilnavosti, porozity apod.), které však ostatně se zbytkovými napětími úzce souvisejí. Pokud bychom přece jen chtěli určit napěťový profil, je třeba získat ještě nějaká další data měřením některých veličin. Uveďme nejjednodušší rovnice, které popisují vztah deformace a napětí v této dvojici:
σqu = α 2 E2 (Tm - Ts)(1)
kde σqu je napětí generované deformacemi při smršťování (přičemž volnému smrštění je nějakým způsobem bráněno) chladnoucího povlaku (angl. quenching effect), α 2 E2 jsou součinitel délkové teplotní roztažnosti a modul pružnosti povlaku, Tm je teplota částice (střední teplota částic) při dopadu a Ts teplota substrátu. Jak je vidět, vzorec pro napětí ?qu nezávisí na elasticko-plastických vlastnostech substrátu a neuvažuje ani jeho termomechanické vlastnosti.
Substrát je ohříván dopadajícími částicemi a na konci depozice povlaku dosáhne oblast blízká rozhraní maximální teploty Ts , vlivem které se prodlouží a pak chladne společně s povlakem až na teplotu okolí T0. Podle toho, v jakém poměru jsou koeficienty teplotní délkové roztažnosti povlaku a substrátu, dochází
  • při α 2 < α 1 k tlakové zbytkové napjatosti v povlaku (konkávní průhyb);
  • při α 2 > α 2 k tahové zbytkové napjatosti v povlaku (konvexní průhyb).
  • σM2=(α2 - α1)(E2/(1-µ2))/ΔT (2)
    kde σM2 (theoretical stress) je napětí úměrné rozdílu součinitelů délkové teplotní roztažnosti, α 2 , α 1 povlaku, resp. substrátu, E2 modul pružnosti, µ2 Poissonův poměr povlaku a ΔT = (Ts - T0). Napětí odpovídá maximální možné hodnotě, kterou je tento mechanismus schopen v povlaku generovat (rovnice uvažuje tloušťku substrátu a jeho tuhost blížící se nekonečnu). Závěrem ještě řekněme, že tímto způsobem nelze podchytit transformační napětí chladnoucích struktur, napětí od konečné úpravy povrchu povlaku např. obráběním (přitom zvláště broušení je doprovázeno vznikem napěťových špiček). Rovněž problematické je podchycení vlivu tryskání před žárovým nástřikem.

    Experiment

    Uvedený poněkud podrobnější rozbor vzorců dává obrázek o tom, které další parametry kromě křivosti je nutné nějakým způsobem určit. Především je to teplota, která v tomto případě byla měřena během nástřiku (tedy in-situ) nalepovacím termočlánkem typu K umístěným na opačné straně měrky. Existují rovněž práce s experimentálním měřením křivosti in-situ. Pak lze odlišit quenching effect a CTE mismatch (mechanismus daný rozdílnými α 2aα1). V tomto případě však byla křivost měřena až po nástřiku (ex-situ).
    Řekněme, že pro substrát si můžeme dovolit při dosazování do analytických vzorců použít tabelovaných hodnot α1,E1,µ1, což však u povlaku je velkým zjednodušením. Alespoň modul pružnosti povlaku E2 byl tedy určen čtyřbodovým ohybem ocelového hranolu známých vlastností 10 x 10 x 110 mm s povlakem na dvou protilehlých plochách 10 x 110 mm.
    Aby mohl být sledován vliv různých nerovností mezi koeficienty teplotní délkové roztažnostiα1 α 2, byly připraveny vzorky se čtyřmi typy materiálů:
  • čistý kov, molybden Mo;
  • bronz CuSn;
  • materiál pro mezivrstvy NiAl;
  • nerezová ocel.
  • Substrátem byl ocelový plíšek (ocel 11 373, žíháno na měkko v sevření mezi dvěma deskami ke zvýšení rovinnosti) s rozměry Almen měrky a tloušťkou 1 mm (pro molybden 1,2 mm). Všechny parametry žárového nástřiku plazmou byly pro každou skupinu vzorků konstantní (optimální podle normativu pro stříkaný typ materiálu), až na tloušťku, která kolísala v rámci ručního vedení hořáku. Takto samozřejmě kolísá i vzdálenost nástřiku apod. Přesnost uvedeného experimentu lze tedy zvýšit při použití strojně vedeného hořáku a vyloučit tak vliv obsluhy.
    Pro jednotlivý materiál byla provedena skupina vzorků o 13 až 17 kusech. Všechny typy materiálu vykazují korelaci mezi tloušťkou povlaku a křivostí dvojice. Pro uvedená data byla provedena regresní analýza a analýza reziduí vzhledem k regresní přímce. Na základě toho by se dalo říci, že celý postup zřejmě není zatížen systematickou chybou. Přijmeme-li tedy nějaký analytický model, lze ho srovnat s tím, který byl obdržen ze statistických dat, a posoudit pak vliv zjednodušujících předpokladů na výpočet zbytkových napětí (z hlediska objemů, ve kterých působí, makroskopických). Nejjednodušším takovým modelem, který popisuje závislost zbytkových napětí na tloušťce povlaku a křivosti dvojice, je Davidenkova rovnice:
    σ2=(4E1H(h+H)f) / (3hl2(11)) (3)
    kde E1 je modul pružnosti substrátu, µ1 Poissonův poměr substrátu, f průhyb (křivost) a h/H tloušťka povlaku/substrátu, l délka měrky. Vztah je platný za podmínky h«H, tedy napětí v povlaku dosahuje hodnoty, která je konstantní s tloušťkou povlaku a pro napětí v substrátu platí σ1› 0.

    Závěr

    Závěrem je třeba uvést, že pro zjišťování zbytkových napětí v povlaku žárového nástřiku jsou používány spíše jiné metody (metoda otvoru, rtg. difrakce). Pokud bychom je však chtěli využít při optimalizačních testech, jednalo by se o poměrně nákladnou záležitost, přičemž samotná interpretace zbytkových napětí vzhledem ke konkrétnímu parametru žárového nástřiku by i tak byla problematická.
    Popsaný postup by spíše měl v případě sériové výroby sloužit obdobně jako u technologie shot peening, tedy k posouzení reprodukovatelnosti procesu. Pokud je žárový nástřik aplikován v kusové či malosériové výrobě, zvláště při použití problematického přídavného materiálu, může tento postup posloužit jako prvotní informace při optimalizaci, pokud obsluha nemá k dispozici informace z databáze "Provedených aplikací", které renomované firmy v tomto oboru za dobu svého působení získaly, avšak pečlivě je tají.
    Ing. Karel Kaleta
    Reklama
    Vydání #10
    Kód článku: 11012
    Datum: 10. 10. 2001
    Rubrika: Výroba / Povrchové úpravy
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Perfektní povrchová úprava

    Ten, kdo vytváří povlaky, může dosáhnout bezvadných výsledků pouze důkladnou předpřípravou povlakovaného povrchu. Také za tímto účelem investovala firma Bot Oberflächentechnik z Kulmbachu do nového zařízení – a dosáhla tak nakonec fascinujících výsledků.

    Kompaktní řešení Zapoj a spusť

    Surffinisher je inovační metoda inline omílání vysoce kvalitních, geometricky složitých součástí během výrobního cyklu , která otevírá nové možnosti pro automatizované, vysoce přesné obrábění definovaných ploch jednotlivých součástí. Kompaktní omílací systém Zapoj a spusť lze snadno integrovat do výrobních linek.

    Automatické selektivní nebo celoplošné obrábění

    Ať se jedná o odhrotování, broušení, hlazení, zaoblování nebo leštění, dnes musejí být na kvalitu plněny velmi vysoké požadavky. Konkurenční tlak pak současně vyžaduje minimalizaci nákladů na zpracování. Tyto požadavky lze splnit inovativní technologií surf-finishing společnosti Rösler. K manipulaci s obrobky během bezdotykového, plně automatického procesu omílání jsou používány roboty. To umožňuje nejen celoplošně, nýbrž i selektivně, spolehlivě a efektivně obrábět geometricky složité součásti. Tato revoluční inovace v omílání byla poprvé prezentována na veletrhu AMB 13. až 17. září ve Stuttgartu.

    Související články
    Tryskací zařízení pro zvýšení životnosti radlic

    Stroje pro úpravu půdy jsou extrémně zatěžovány. Pro zvýšení doby životnosti rychle opotřebitelných náhradních dílů, např. radlic, používá firma Andersen Steel pro jejich čištění zařízení se shot peeningem od firmy Rösler.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

    V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

    Ako zvýšiť kvalitu povrchových úprav

    Dokonale čistý a odmastený povrch dielov je základnou črtou pre všetky povrchové úpravy, ktorý má veľký vplyv na výslednú kvalitu produktu. Predovšetkým rôzne spôsoby nanášania kovov si vyžadujú starostlivú prípravu povrchu, aby sa zabránilo vzniku škvŕn, ktoré vznikajú v dôsledku povrchovej kontaminácie počas tvárnenia kovov.

    Zvýšení výkonu u tribo stříkání

    Stříkání práškových barev systémem tribo je založeno na fyzikálních principech, které do značné míry určují výsledné parametry stříkacího zařízení. Výrobce stříkacích pistolí je postaven před úkol navrhnout optimální konstrukci, která bude poskytovat nejlepší možný výstup, jakým je dostatečně nabitý prášek, který vystupuje v požadovaném množství a s použitelnou rychlostí z ústí nabíjecí trubice. Jak název napovídá, nabíjení prášku tribo je založeno na principu tření.

    Kompozitní povlaky jako možná náhrada za povlaky na bázi CrIV

    Tento příspěvek se týká oblasti povrchových úprav, zejména elektrolyticky vyloučených kovových povlaků, a to způsobu vytvoření kompozitní povrchové úpravy na bázi niklu s vysokou odolností proti opotřebení. Výsledkem provedeného výzkumu je technologický postup závěsového pokovení pro nový kompozitní povlak NiP-XLS, který by mohl nahradit povlaky na bázi CrIV.

    Šetrné a účinné čištění těžko dostupných míst

    Klasické postupy čištění ve vodě se dostávají na hranice svých možností, když jde například o kapilární struktury nebo komplexní geometrie. Za takové situace se nově na scénu dostávají tzv. CNP technologie (Cyclic Nucleation Process). Tato technologie pracuje na principu cyklické nukleace (tvorby krystalových zárodků z přesycených roztoků).

    Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

    Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

    Stříkání a lakování - trendy jsou nepochybné

    Nutnost zvyšovat technicko-ekonomickou úroveň firmy je na denním pořádku. Inovace zvyšují podnikovou konkurenceschopnost, kterou lze spatřovat zejména ve flexibilitě, tvorbě přidané hodnoty, efektivnosti a kvalitě. Také v oboru povrchových úprav je trendem automatizace a robotizace.

    Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

    Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

    Vývoj epoxidových barev na konstrukce

    Trendem dnešní doby je snižování nákladů na nátěrové systémy na konstrukce. Tyto systémy jsou ve většině případů složeny ze základní nátěrové hmoty (NH) epoxidového typu a vrchního polyuretanového emailu. V rámci úspory nákladů byla vyvinuta NH, která plní funkci obou těchto nátěrových hmot, to znamená, že má antikorozní vlastnosti, splňuje funkci vrchní NH a je možné ji aplikovat pouze v jedné vrstvě.

    Zvýšení odolnosti polymerních nátěrů pomocí nano/mikrogelů

    Polymerní nátěrové hmoty aplikované na výrobcích plní různé funkce, nejčastěji estetickou a ochrannou. Moderní typy nátěrových hmot by měly tyto funkce kombinovat a rovněž i vyhovovat stále se zpřísňující chemické legislativě a požadavkům kladeným na ochranu životního prostředí a pracovních potřeb. Přirozeným důsledkem je neustálá potřeba vyvíjet a zavádět nové sofistikované formulace nátěrových hmot, a to jak v oblasti rozpouštědlových, tak i vodouředitelných nátěrových hmot.

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit