PL228010B1 - Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest przeznaczony do modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych metodą modyfikacji tarciowej z przemieszaniem materiału i zastosowaniem materiału modyfikującego w oparciu o jednoetapową obróbkę. Sposób polega na tym, że wgłębienia w powierzchni materiału modyfikowanego (3) wykonuje się w postaci oddzielonych od siebie komór (4), a narzędzie robocze (1) w trakcie modyfikowania warstwy wierzchniej pochylone jest względem jego kierunku przemieszczania pod kątem od 0 do 10 stopni do płaszczyzny prostopadłej do powierzchni modyfikowanej warstwy, przy czym trzpień (2) narzędzia roboczego (1) podczas modyfikowania warstwy wierzchniej zanurza się co najmniej na głębokość dna komory (4).

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych metodą modyfikacji tarciowej z przemieszaniem materiału i zastosowaniem materiału modyfik ującego. Sposób według wynalazku ma zastosowanie między innymi w przemyśle lotniczym, samochodowym, w konstrukcjach elementów maszyn przemysłowych, a także w budownictwie.

Znane są sposoby obróbki warstwy wierzchniej materiałów metalicznych, w których efekt cieplny towarzyszący obróbce wykorzystywany jest do modyfikacji warstwy wierzchniej materiału, w tym do wytworzenia w warstwie wierzchniej struktury kompozytowej poprzez wprowadzenie wzmocnienia w postaci cząstek bądź włókien, z reguły o nanometrycznych wymiarach. Materiał modyfikujący jest umieszczany w wydrążonym w powierzchni modyfikowanego materiału kanale. Rozwiązanie to jest kłopotliwe, gdyż podczas modyfikacji proszek ma tendencję do przemieszczania się, w tym do opus zczania rowka wskutek dynamicznego oddziaływania narzędzia roboczego z powierzchnią materiału, czego konsekwencją może być zmienny udział materiału modyfikującego w warstwie wierzchniej materiału modyfikowanego w różnych miejscach tej warstwy. Konieczne jest zatem zastosowanie obróbki dwuetapowej, z reguły z użyciem dwóch różnych narzędzi roboczych, w pierwszym etapie stosuje się narzędzie pozbawione trzpienia, z reguły o płaskiej powierzchni opory. Obróbka ma w tym przypadku za zadanie zasklepienie kanału i tym samym zabezpieczenie proszku przed przemieszczaniem się poza kanał w trakcie właściwej obróbki. Właściwa obróbka realizowana jest z reguły za pomocą narzędzia wyposażonego w trzpień. Konieczność drążenia kanału w materiale modyfikowanym jest kłopotliwą operacją warsztatową zwłaszcza wówczas, gdy element modyfikowany ma złożony kształt, bądź gdy rowek nie przebiega wzdłuż linii prostej.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US8220693 sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych polegający na wykonaniu ciągłych liniowych lub krzywoliniowych wgłębień w powierzchni materiału modyfikowanego o głębokości nie większej niż długość trzpienia narzędzia do modyfikowania tarciowego z przemieszczaniem materiału, który z reguły nie jest większy niż 3 mm, przy czym średnica trzpienia nie powinna być mniejsza niż szerokość wgłębienia, po czym umieszczeniu w zagłębieniach określonej ilości co najmniej jednego materiału modyfikującego, a następnie zagłębieniu w materiał i przemieszczaniu obracającego się trzpienia narzędzia roboczego w wykonanych zagłębieniach nagrzewając tarciowo, uplastyczniając i mieszając materiał modyfikowany z materiałem modyfikującym.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL 206 796 sposób liniowego zgrzewania tarciowego elementów z różnych materiałów polegający na tym, że do łączonych elementów wprowadza się obracający się trzpień narzędzia do takiego położenia, aby jednocześnie dolna część narzędzia roboczego posiadała stały kontakt z górnymi powierzchniami obu zgrzewanych elementów, aby większa część powierzchni bocznej trzpienia narzędzia kontaktowała się tylko z materiałem jednego z elementów oraz aby dolna część trzpienia narzędzia posiadała stały kontakt z materiałami obu elementów w obszarze ich występu i wybrania, następnie, zachowując stałe położenie obracającego się trzpienia narzędzia, przesuwa się go wzdłuż powierzchni styku zgrzewanych elementów i nierównom iernie, z różną intensywnością wzdłuż osi narzędzia z trzpieniem, bardziej od strony powierzchni górnej i dolnej zgrzewanych elementów, nagrzewa się oraz uplastycznia jednocześnie materiały obydwu elementów.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL 176 524 sposób zgrzewania tarciowego z mieszaniem wnętrza zgrzeiny oparty na wzmożonym przepływie zmiękczonego materiału zarówno prostopadle jak i pionowo do podłużnie rozciągających się sąsiadujących zestawionych członów poprzez poddanie utworzonego zmiękczonego materiału prostopadłemu naciskowi wzdłuż powierzchni członów i spowodowanie jednoczesnego przepływu materiału wzdłuż trzpienia penetrującego w kierunku pionowym, umożliwiającego zestalenie się zmiękczonego materiału poza trzpieniem narzędzia.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL 185 998 sposób zgrzewania tarciowego, w którym zgrzewa się części za pomocą obracającego się trzpienia narzędzia roboczego, który przemieszcza się wzdłuż powierzchni przy jednoczesnym dociskaniu go do niej. W sposobie tym modyfikowaną powierzchnię ogrzewa się do maksimum 250°C poniżej temperatury topnienia materiału.

Celem wynalazku było opracowanie sposobu modyfikacji warstwy wierzchniej materiałów metalicznych metodą modyfikacji tarciowej z przemieszaniem materiału i zastosowaniem materiału modyfikującego bez konieczności wykonywania liniowego wgłębienia w postaci kanału w modyfikowanym materiale i w oparciu o jednoetapową obróbkę.

PL 228 010 B1

Istotą sposobu według wynalazku jest to, że wgłębienia mają postać oddzielonych od siebie komór, a narzędzie robocze w trakcie modyfikowania warstwy wierzchniej pochylone jest względem jego kierunku przemieszczania pod kątem β od 0 do 10 stopni do płaszczyzny prostopadłej do powierzchni modyfikowanej warstwy, przy czym trzpień narzędzia roboczego podczas modyfikowania warstwy wierzchniej zanurza się w materiale modyfikowanym co najmniej na głębokość dna komory.

Korzystnym jest, gdy wgłębienia w postaci oddzielonych od siebie komór wykonuje się w powierzchni materiału modyfikowanego pod kątem równym kątowi pochylenia narzędzia roboczego w trakcie modyfikowania warstwy wierzchniej.

Korzystnym jest, również jeśli trzpień narzędzia roboczego podczas modyfikowania warstwy wierzchniej przemieszcza się w materiale modyfikowanym obok oddzielonych od siebie komór w odległości zapewniającej brak kontaktu lub częściowy kontakt trzpienia z materiałem modyfikującym na etapie zagłębiania się trzpienia w materiał.

Korzystnym jest także, jeśli przed zanurzeniem i przemieszczaniem obracającego się trzpienia narzędzia roboczego w materiale modyfikowanym umieszcza się na komorach wypełnionych materiałem modyfikującym warstwę osłonową.

Obszar oddzielający od siebie poszczególne komory w materiale modyfikowanym mający postać ścianek pomiędzy komorami winien mieć taką objętość, która nie wpłynie na wystąpienie lokalnej niejednorodności chemicznej wskutek zwiększonego udziału materiału modyfikującego w warstwie wierzchniej materiału modyfikowanego, z drugiej zaś strony ścianki między komorami powinny być na tyle grube, by skutecznie zabezpieczać znajdujący się w niej materiał modyfikujący przed przemieszczeniem się poza strefę modyfikowaną wskutek dynamicznego oddziaływania wirującego n arzędzia roboczego.

Zastosowanie systemu komorowego pozwala zapobiec lub co najmniej zminimalizować niepożądane przemieszczenie się materiału modyfikującego poza strefę modyfikowaną w trakcie oddziaływania narzędzia roboczego na materiał. Ponadto sposób według wynalazku umożliwia jednoetapową obróbkę.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala wytworzyć strukturę kompozytową w warstwie wierzchniej materiału o właściwościach stanowiących wypadkową zastosowanego wzmocnienia, jego udziału objętościowego i właściwości fizykochemicznych, stosunku rozmiaru zagłębień do wymiarów przestrzeni między otworami, a także wypadkową parametrów procesu obróbki powierzchni za pomocą tarcia FSP - ang. Friction Stir Processing, to jest prędkości obrotowej narzędzia roboczego, prędkości posuwu narzędzia roboczego, siły nacisku narzędzia na powierzchnię materiału, wielkości przesunięcia osi głównej narzędzia względem osi komór. Zmiany w strukturze warstwy wierzchniej wywołane metodą FSP prowadzą do zmiany charakterystyki materiałowej tej warstwy, a w konsekwencji pozwalają na przykład uzyskać wyższą twardość materiału oraz wyższą odporność na zużycie, co w przypadku na przykład stopów magnezu czy aluminium jest zagadnieniem szczególnie ważnym.

Przesunięcie osi głównej narzędzia względem osi komór powoduje wymieszanie materiału m odyfikującego z materiałem modyfikowanym w wyniku pobierania uplastycznionego metalu przez trzpień narzędzia roboczego, z którym materiał modyfikujący nie ma bezpośredniego kontaktu na et apie zanurzania się trzpienia w materiał modyfikowany.

Dodatkowo zastosowanie przesunięcia osi głównej narzędzia względem osi komór zwiększa znacząco żywotność narzędzia, które nie ma bezpośredniego lub ma ograniczony kontakt z materiałem modyfikującym.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schematycznie prostokątną próbkę materiału modyfikowanego z oddzielonymi od siebie komorami przeznaczonymi na materiał modyfikujący, Fig. 2 obracające się narzędzie robocze w trakcie jego przesuwu obok komór, Fig. 3 przedstawia schematycznie prostokątną próbkę materiału modyfikowanego z oddzielonymi od siebie komorami przykrytymi warstwą osłonową, Fig. 4 obracające się narzędzie robocze w trakcie jego przesuwu obok komór przykrytych warstwą osłonową, Fig. 5 przekrój podłużny próbki z pochylonymi komorami przykrytymi warstwą osłonową, Fig. 6 przekrój poprzeczny próbki z pochylonymi komorami przykrytymi warstwą osłonową, a Fig. 7 obracające się narzędzie robocze w trakcie jego przesuwu obok komór w widoku z góry.

Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych przedstawiony na Fig. 1 i 2 polega na tym, że obracające się narzędzie robocze 1 wyposażone w trzpień roboczy 2 powoduje uplastycznienie materiału modyfikowanego 3 i rozprowadzenie materiału modyfikującego znajdującego się w komorach 4 w objętości materiału i prowadzi do powstania struktury kompozytowej w warstwie

PL 228 010 B1 wierzchniej materiału, w której osnowę stanowią materiał modyfikowany 3, a fazę wzmacniającą materiał modyfikujący 4' umieszczony w komorach 4. Przed zanurzeniem i przemieszczaniem obracającego się trzpienia 2 narzędzia roboczego 1 w materiale modyfikowanym 3 możliwe jest umieszczenie na komorach wypełnionych materiałem modyfikującym 4' warstwy osłonowej 5.

Podczas realizacji sposobu według wynalazku głębokość komór może być większa niż długość trzpienia narzędzia roboczego, ale nie większa niż głębokość zanurzenia się powierzchni czołowej trzpienia narzędzia roboczego w modyfikowanym materiale.

P r z y k ł a d 1

Modyfikacji tarciowej poddano stop magnezu AZ91. Na powierzchni materiału modyfikowanego stanowiącego próbkę o szerokości 30 mm, długości 100 mm i grubości 10 mm wykonano komory o przekroju kołowym i średnicy 2 mm oraz głębokości 5 mm prostopadle do powierzchni materiału modyfikowanego próbki. Odległość między środkami wydrążonych komór wynosiła 2,5 mm, a szerokość ścianki oddzielającej sąsiadujące ze sobą komory równa była 0,5 mm mierzona wzdłuż osi sąsiadujących otworów. Komory usytuowane były wzdłuż linii prostej na całej długości próbki. Narzędzie mieszające wyposażone w trzpień wykonane zostało z obrobionej cieplnie stali narzędziowej do pracy na gorąco WCL (1,2343) o twardości powyżej 50 HRC i składało się z wieńca opory o średnicy 16 mm oraz trzpienia roboczego w kształcie stożka o długości 6 mm i podstawach tworzących stożek o średnicach 6 mm oraz 4 mm. Powierzchnia boczna stożka była gwintowana. Komory napełniono pros zkiem ceramicznym tlenku chromu(III) Cr₂O3 o wielkości cząstek 63+/-16 μm. Prędkość przesuwu narzędzia była stała i wynosiła 1 mm/s, natomiast prędkość zagłębiania się narzędzia w kierunku prostopadłym do powierzchni materiału równa była 0,1 mm/s. Prędkość obrotowa narzędzia roboczego w ynosiła 1000 obr./min. Narzędzie robocze w trakcie modyfikowania warstwy wierzchniej pochylone było względem jego kierunku przemieszczania pod kątem β = 2 stopnie do płaszczyzny prostopadłej do powierzchni modyfikowanej warstwy, przy czym przesunięcie osi głównej narzędzia roboczego względem osi komór wynosiło 3,5 mm. W zakresie przyjętych parametrów obróbki tarciowej obserwowano uplastycznienie stopu magnezu oraz intensywne rozproszenie cząstek fazy ceramicznej tlenku chromu(III) Cr₂O₃ w warstwie wierzchniej stopu, skutkujące powstaniem struktury kompozytowej typu metal-ceramika.

P r z y k ł a d 2

Modyfikacji tarciowej poddano stop magnezu AM60. Na powierzchni materiału modyfikowanego stanowiącego próbkę o szerokości 30 mm, długości 100 mm i grubości 10 mm wykonano k omory o przekroju kołowym i średnicy 3 mm oraz głębokości 4 mm prostopadle do powierzchni materiału modyfikowanego próbki. Odległość między środkami wydrążonych komór wynosiła 3,5 mm, a szerokość ścianki oddzielającej sąsiadujące ze sobą komory równa była 0,5 mm mierzona wzdłuż osi sąsiadujących otworów. Komory usytuowane były wzdłuż linii prostej na całej długości próbki. Narzędzie mieszające wyposażone w trzpień wykonane zostało z obrobionej cieplnie stali narzędziowej do pracy na gorąco WCL (1,2343) o twardości powyżej 50 HRC i składało się z wieńca op ory o średnicy 10 mm oraz trzpienia roboczego w kształcie stożka o długości 6 mm i podstawach tworzących stożek o średnicach 4 mm oraz 3 mm. Powierzchnia boczna stożka była gwintowana. Komory napełniono proszkiem ceramicznym węglika krzemu SiC o wielkości cząstek 20+/-5 μm. Zastosowano warstwę osłonową w postaci arkusza o grubości 0,7 mm, szerokości 15 mm i długości odpowiadającej długości próbki. Warstwę osłonową wykonano ze stopu AM60. Prędkość przesuwu narzędzia była stała i wynosiła 1 mm/s, natomiast prędkość zagłębiania się narzędzia w kierunku prostopadłym do powierzchni materiału równa była 0,1 mm/s. Prędkość obrotowa narzędzia rob oczego wynosiła 800 obr./min. Narzędzie robocze w trakcie modyfikowania warstwy wierzchniej p ochylone było względem jego kierunku przemieszczania pod kątem β = 6 stopnie do płaszczyzny prostopadłej do powierzchni modyfikowanej warstwy, przy czym przesunięcie osi głównej narzędzia roboczego względem osi komór wynosiło 3 mm. W zakresie przyjętych parametrów obróbki tarci owej obserwowano uplastycznienie stopu magnezu, w tym także warstwy osłonowej oraz intensywne rozproszenie cząstek fazy ceramicznej węglika krzemu SiC w warstwie wierzchniej stopu, skutkujące powstaniem struktury kompozytowej typu metal-ceramika. Uwzględniający podanie konkretnych wartości dla parametrów zapisanych we wszystkich czterech zastrzeżeniach. Z uwzględnieniem innego kąta pochylenia narzędzia roboczego oraz z opisem uwzględniającym warstwę osłonową komór w postaci blachy.

Claims (4)

1. Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych polegający na wykonaniu wgłębień w powierzchni materiału modyfikowanego o szerokości nie większej niż średnica trzpienia narzędzia roboczego do modyfikowania tarciowego z przemieszczaniem materiału, po czym umieszczeniu w zagłębieniach określonej ilości co najmniej jednego materiału modyfikującego, a następnie zanurzeniu i przemieszczaniu obracającego się trzpienia narzędzia roboczego wzdłuż wykonanych zagłębień nagrzewając tarciowo, uplastyczniając i mieszając materiał modyfikowany z materiałem modyfikującym, znamienny tym, że wgłębienia mają postać oddzielonych od siebie komór 4, a narzędzie robocze 1 w trakcie modyf ikowania warstwy wierzchniej pochylone jest względem jego kierunku przemieszczania pod kątem β od 0 do 10 stopni do płaszczyzny prostopadłej do powierzchni modyfikowanej warstwy, przy czym trzpień 2 narzędzia roboczego 1 podczas modyfikowania warstwy wierzchniej zanurza się co najmniej na głębokość dna komory 4.

2. Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej według zastrz. 1, znamienny tym, że wgłębienia w postaci oddzielonych od siebie komór 4 wykonuje się w powierzchni materiału modyfikowanego pod kątem równym kątowi pochylenia narzędzia roboczego 1 w trakcie modyfik owania warstwy wierzchniej.

3. Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej według zastrz. 1 albo zastrz. 2, znamienny tym, że trzpień 2 narzędzia roboczego 1 podczas modyfikowania warstwy wierzchniej przemieszcza się w materiale modyfikowanym 3 obok oddzielonych od siebie komór 4.

4. Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej według zastrz. 1 albo zastrz. 2 albo zastrz. 3, znamienny tym, że przed zanurzeniem i przemieszczaniem obracającego się trzpienia 2 narzędzia roboczego 1 w materiale modyfikowanym 3 umieszcza się na komorach wypełnionych materiałem modyfikującym 4' warstwę osłonową 5.