Измерение твердости и износостойкости

Консультация со знающим поставщиком — это лучший способ выбрать подходящий метод обработки поверхности для конкретной области применения. Сложные формы, коррозионноактивные материалы, смолы и достижения в области покрытий привели к разработке множества вариантов отделки поверхностей пресс-форм, помимо твердого хромирования и химического никелирования. Всегда разумно иметь базовое представление о плюсах и минусах различных покрытий. Например, с точки зрения износостойкости химическое никелевое покрытие с наноразмерными алмазными частицами может стать лучшей альтернативой более традиционным покрытиям. Как вы измеряете его стойкость к истиранию?

Самый распространенный показатель твердости — это определение твердости по Роквеллу согласно стандарту ASTM E-18 (стандартный метод испытания для определения твердости по Роквеллу металлических материалов). Этот метод предполагает приложение силы к индентору и измерение глубины его проникновения в исследуемый материал. Однако сопротивление вдавливанию не вполне характеризует стойкость к истиранию. Между тем, показатель износостойкости по Таберу указывает на количество материала, удаленного абразиметром Табера (прибор для ускоренного испытания на износ) в процессе испытания. Это стандартный метод испытания, который можно использовать в рамках внутрипроизводственного контроля качества и в процессе разработки продукции.

В испытании по Таберу вычисляют потерю веса материала за определенное количество циклов истирания — либо потерю веса за цикл, либо потерю веса за число циклов, необходимых для удаления единицы толщины покрытия.

Ниже представлены результаты испытания по Таберу, проведенного в соответствии со стандартом ASTM D4060 (стандартный метод испытания на стойкость к истиранию органических покрытий с помощью арбазиметра Табера), в котором указывается три типа расчетов износостойкости:

показатель износостойкости — потеря веса за указанное количество оборотов (обычно 1000) при определенной нагрузке (500 или 1000 г);
циклы истирания на 1 мил — количество циклов, необходимых для износа покрытия на толщину 0,001 дюйм;
циклы до разрушения — количество циклов испытания для износа покрытия или обнажения подложки.

Уравнение Табера: I = [(A — B) x 1000]/C, где I — показатель износостойкости, A — вес (масса) образца до истирания, B — вес (масса) образца после истирания и C — количество циклов испытания.

Результаты (показатель износостойкости / твердость по Роквеллу)

химическое никелевое покрытие со средним содержанием фосфора – 28/50
химическое никелевое покрытие, содержащее фосфор и нитрид бора – 9/54 (67 после сушки)
соосажденное химическое никелевое покрытие и ПТФЭ – 32/45
твердое хромовое покрытие – 1.5/72
химическое никелевое покрытие с наноразмерными алмазными частицами – 3/57 (70)

В данном конкретном испытании показатель износостойкости использовали для сравнения пяти покрытий — химический никель, химический никель-фосфористая матрица с частицами нитрида бора, соосаждение химического никеля и политетрафторэтилена (ПТФЭ), твердый хром и химический никель с наноразмерными алмазными частицами.

Шаг 1. В соответствии с требованиями стандартов испытаний ASTM груз весом 1000 г помещали на абразивный круг, который вращается с постоянной скоростью. Затем подготавливали испытательные пластины размером 4х4 дюйма, изготовленные из холоднокатаной стали S-16 сортамента 20, и наносили на них каждое из покрытий. Минимальная толщина покрытия составляла 0,0010 дюйм.

Шаг 2. До начала испытания записывали исходную толщину и вес каждой пластины. Затем испытание останавливали через каждые 1000 циклов для дополнительного сбора данных. Процесс повторяли 10 раз, выполнив в общей сложности 10 000 циклов. Чтобы обеспечить точность данных, соблюдали требования к очистке ASTM.

Шаг 3. После испытания на истирание полученный вес вычитали из веса испытательных пластин до начала испытания. Затем это значение умножали на 1000 и делили на количество выполненных циклов (также 1000). В результате получали степень износа для данного покрытия. Более высокое значение означает, что покрытие менее устойчиво к износу (было удалено больше покрытия), а низкое значение указывает на то, что покрытие может лучше выдерживать износ (было удалено меньше покрытия).

Результаты этого испытания показали, что покрытие твердым хромом демонстрирует наилучшую износостойкость, но химическое никелевое покрытие с алмазными наночастицами намного превосходит другие никелевые покрытия, которые были испытаны, и по твердости приближается к твердому хрому.

Очевидно, что крайне важно найти подходящее покрытие. Каждое свойство покрытия направлено на решение определенной проблемы. Лучше всего полностью разобраться в проблемном вопросе, который необходимо решить, а затем нанести соответствующее покрытие.

Например, благодаря своей твердости и стойкости к истиранию твердое хромовое покрытие хорошо подходит для областей применения, требующих высокой износостойкости. Поэтому оно, как правило, идеально подходит для пресс-форм для электрических выключателей, в которых используются материалы, содержащие до 40% стекла. С другой стороны, химическое никелирование идеально подходит для формования поливинилхлорида (ПВХ). ПВХ будет разрушать хромовое покрытие, в то время как химическое никелевое покрытие равномерно защищает от коррозии.

Недостаток хромирование — это его неэффективность в областях, недоступных аноду. При твердом хромировании не будет полного покрытия, если аноды не могут достичь каждого участка поверхности. Для пресс-форм со сложными элементами можно использовать вспомогательные аноды с постоянным током; однако это увеличивает время и затраты на проект. В подобных случаях химическое никелевое покрытие с алмазными наночастицами — более подходящий вариант. Результаты испытания по Таберу для этого покрытия — значение 3, что говорит о высокой прочности и стойкости к истиранию. Химическое никелевое покрытие с алмазными наночастицами имеет коэффициент трения 0,10, что лучше, чем у хрома (0,2), равно ПТФЭ (0,10) и намного лучше, чем у химического никеля (0,45). Имейте в виду, что, чем меньше значение, тем меньше трение.

В одном реальном случае применения химическое никелевое покрытие с алмазными наночастицами стало подходящим решением для производителя медицинской техники, изготавливающего детали с фирменными стальными вставками. Поскольку вставки имели острый элемент, они были склонны к прилипанию, что вызывало проблемы с выемкой, замедляло производство и снижало качество. Химическое никелевое покрытие с алмазными наночастицами обеспечило необходимую износостойкость и смазывающую способность.

Создание программы подсчета деталей — это эффективное решение для отслеживания износа, особенно в крупномасштабных проектах формования. Необходимо вести подсчет деталей с первого запуска и до тех пор, пока не придет время первой проверки технического состояния пресс-формы. Затем можно использовать эти данные для прогнозирования срока следующего технического обслуживания. Даже в этом случае рекомендуется регулярно извлекать пресс-форму, чтобы осмотреть покрытие на предмет износа. Упущение из виду важных признаков износа приведет к более дорогостоящему ремонту и дополнительным расходам на полировку. Ваш поставщик покрытий может оказать неоценимую помощь в обучении персонала тому, как определенные покрытия будут изнашиваться со временем, а также способам сокращения простоев и снижения затрат.

Рич О’Брайен — руководитель отдела технического обслуживания в компании Bales Metal Surface Solutions.

Сайт: http://www.balesusa.com.