PL230589B1 - Sposob modyfikowania warstwy wierzchniej materialow metalicznych - Google Patents

Abstract

Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych polega na tym, że na powierzchnię materiału modyfikowanego (6) nakłada się co najmniej dwie podwójne warstwy składające się z warstwy materiału modyfikującego (6) i metalicznej warstwy przekładkowej, przy czym zewnętrzną warstwę przekładkową stanowi metaliczna warstwa materiału osłonowego wykonana z materiału o wyższej podatności na uplastycznienie niż wewnętrzne warstwy przekładkowe, a następnie w tak powstałą wielowarstwę zagłębia się obracające się narzędzie robocze co najmniej na głębokość odpowiadającą grubości naniesionej wielowarstwy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych metodą modyfikacji tarciowej z przemieszaniem materiału modyfikowanego i zastosowaniem materiału modyfikującego oraz materiału osłonowego wspomagającego mieszanie i wiązanie materiału modyfikującego. Sposób według wynalazku ma zastosowanie w inżynierii powierzchni do wytwarzania mikrostruktury kompozytowej w warstwach wierzchnich materiałów metalicznych i nadawania im specjalnych własności użytkowych pożądanych zwłaszcza 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 mikrostruktury kompozytowej poprzez wprowadzenie wzmocnienia w postaci cząstek bądź włókien. W rozwiązaniu określanym skrótem FSP - ang. Friction Stir Processing materiał modyfikujący jest umieszczany najczęściej w wydrążonym w powierzchni modyfikowanego materiału rowku. Rozwiązanie to jest kłopotliwe, gdyż podczas modyfikacji materiał modyfikujący ma tendencję do niekontrolowanego przemieszczania się i w efekcie do opuszczania 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 zamknięcie kanału i tym samym zabezpieczenie proszku przed przemieszczaniem się poza rowek w trakcie właściwej obróbki. Właściwa obróbka realizowana jest z reguły w drugim etapie za pomocą narzędzia wyposażonego w trzpień. Konieczność drążenia rowku 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 polskiego opisu zgłoszeniowego wynalazku P.416112 sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych polegający na wykonaniu wgłębień w powierzchni materiału modyfikowanego, 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, przy czym trzpień narzędzia roboczego podczas modyfikowania warstwy wierzchniej zanurza się co najmniej na głębokość dna komory, natomiast przed zanurzeniem i przemieszczaniem obracającego się trzpienia narzędzia roboczego w materiale modyfikowanym umieszcza się na komorach wypełnionych materiałem modyfikującym warstwę osłonową.

Znany jest z polskiego opisu patentowego 206796 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 nierównomiernie, 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 176524 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.

Celem wynalazku było opracowanie sposobu modyfikacji warstwy wierzchniej materiałów metalicznych umożliwiającego uzyskanie warstwy zmodyfikowanej, zawierającej równomiernie ro zmieszczony w niej materiał modyfikujący w oparciu o jednoetapową obróbkę, a zarazem możliwość uzyskiwania większej efektywnej grubości zmodyfikowanej warstwy niż uzyskiwanej w dotychczasowych rozwiązaniach.

PL 230 589 B1

Istotą sposobu według wynalazku jest to, że na powierzchnię materiału modyfikowanego nakłada się co najmniej dwie podwójne warstwy składające się z warstwy materiału modyfikującego i metalicznej warstwy przekładkowej, przy czym zewnętrzną warstwę przekładkową stanowi metaliczna warstwa materiału osłonowego wykonana z materiału o wyższej podatności na uplastycznienie niż wewnętrzne warstwy przekładkowe, a następnie w tak powstałą wielowarstwę zagłębia się trzpień obracającego się narzędzia roboczego co najmniej na głębokość odpowiadającą grubości naniesionej wielowarstwy, stanowiącej sumaryczną grubość naniesionych warstw i następnie przemieszcza się narzędzie robocze równolegle do powierzchni materiału modyfikowanego.

Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych według wynalazku, wykorzystujący metodę modyfikacji tarciowej z przemieszaniem materiału i zastosowaniem materiału modyfikującego oraz metalicznego materiału wspomagającego mieszanie i wiązanie materiału modyfikującego, umożliwia obróbkę cechującą się brakiem strat materiału modyfikującego. Ponadto sposób według wynalazku umożliwia jednoetapową obróbkę, bez konieczności na przykład drążenia rowka w powierzchni materiału modyfikowanego.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala wytworzyć strukturę kompozytową w warstwie wierzchniej materiału o właściwościach będących wypadkową zastosowanego wzmocnienia, jego udziału objętościowego i właściwości fizykochemicznych, a także wypadkową parametrów procesu obróbki powierzchni za pomocą metody FSP - ang. Friction Stir Processing, to jest prędkości obrotowej roboczego narzędzia mieszającego, prędkości posuwu roboczego narzędzia mieszającego, siły nacisku narzędzia na powierzchnię materiału. Zmiany w mikrostrukturze warstwy wierzchniej wywołane metodą FSP prowadzą do zmiany charakterystyki materiałowej tej warstwy, a w konsekwencji pozwalają na przykład uzyskać wyższą w stosunku do materiału niepoddanego obróbce FSP twardość materiału oraz wyższą odporność na zużycie ścierne, czy odmienne właściwości fizykochemiczne np. odporność korozyjną czy izolacyjność termiczną.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schematycznie prostokątną próbkę materiału modyfikowanego z wielowarstwową powłoką oraz narzędziem roboczym.

Sposób wytwarzania mikrostruktury kompozytowej w warstwie wierzchniej materiałów metalicznych metodą FSP przedstawiony na rysunku polega na tym, że obracające się narzędzie mieszające 1 wyposażone w trzpień roboczy 2 powoduje uplastycznienie materiałów 3, 4 i 5 i rozprowadzenie materiału modyfikującego 6 w objętości i prowadzi do powstania mikrostruktury kompozytowej w warstwie wierzchniej materiału, w której osnowę stanowią materiały 3, 4 i 5, a fazę wzmacniającą materiał 6.

P r z y k ł a d 1

Modyfikacji tarciowej poddano stop magnezu AZ91. Na powierzchni materiału modyfikowanego stanowiącego próbkę o wymiarach 40x110x10 mm (szerokość x długość x grubość) nałożono materiał modyfikujący w postaci cząstek SiC o granulacji 21+/-7 pm. Grubość warstwy materiału modyfikującego wynosiła 1,5 mm. Następnie na warstwę materiału modyfikującego naniesiono warstwę przekładkową wykonaną ze stopu magnezu AZ91 w formie blachy o szerokości i długości odpowiadającej wymiarom próbki. Grubość blachy wynosiła 1 mm. W ten sposób na powierzchnię materiału modyfikowanego nałożona została pierwsza podwójna warstwa. Następnie nałożona została druga podwójna warstwa w następujący sposób. Na warstwę przekładkową pierwszej podwójnej warstwy nałożono materiał modyfikujący w postaci cząstek SiC o granulacji 21+/-7 pm. Grubość warstwy materiału modyfikującego wynosiła 1,5 mm. Następnie na warstwę materiału modyfikującego naniesiono górną, zewnętrzną warstwę przekładkową stanowiącą warstwę materiału osłonowego w postaci stopu aluminium typ 7075 w formie blachy o grubości 1 mm oraz szerokości i długości odpowiadającej wymiarom próbki. Warstwa materiału osłonowego posiadała wyższą podatność na uplastycznienie niż nałożona poniżej metaliczna warstwa przekładkowa ze stopu magnezu AZ91. Narzędzie mieszające wykonane zostało z obrobionej cieplnie stali narzędziowej do pracy na gorąco X37CrMoV5-1 i składało się z wieńca opory o średnicy 18 mm oraz trzpienia mieszającego w kształcie stożka o długości 4 mm i podstawach tworzących stożek 5 mm oraz 3 mm. Powierzchnia boczna stożka była gwintowana. 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 przy czym powierzchnia czołowa trzpienia obracającego się narzędzia roboczego została zagłębiona w powstałej wielowarstwie na głębokość odpowiadającą sumarycznej grubości naniesionych warstw. Prędkość obrotowa narzędzia mieszającego N wynosiła 750 obr./min. W trakcie obróbki narzędzie robocze było odchylone od pionu o 2 stopnie. W zakresie przyję

PL 230 589 B1 tych parametrów obróbki tarciowej obserwowano uplastycznienie stopu magnezu oraz warstwy zewnętrznej oraz intensywne rozproszenie cząstek SiC w warstwie wierzchniej stopu, skutkujące powstaniem mikrostruktury 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 wymiarach 30 x 100 x 10 mm (szerokość x długość x grubość) nałożono metodą natryskiwania cieplnego materiał modyfikujący w postaci cząstek C2O3 o granulacji 63+/-11 pm. Grubość warstwy materiału modyfikującego wynosiła 1,5 mm. Następnie na warstwę materiału modyfikującego naniesiono warstwę przekładkową wykonaną ze stopu magnezu AM60 w formie blachy o szerokości i długości odpowiadającej wymiarom próbki. Grubość blachy wynosiła 1 mm. W ten sposób na powierzchnię materiału modyfikowanego nałożona została pierwsza podwójna warstwa. Następnie nałożona została druga podwójna warstwa w następujący sposób. Na warstwę przekładkową pierwszej podwójnej warstwy nałożono metodą natryskiwania cieplnego materiał modyfikujący w postaci cząstek C2O3 o granulacji 63+/-11 pm. Grubość warstwy materiału modyfikującego wynosiła 1,5 mm. Następnie na warstwę materiału modyfikującego naniesiono górną, zewnętrzną warstwę przekładkową stanowiącą warstwę materiału osłonowego w postaci stopu aluminium typ 7075 w formie blachy o grubości 1 mm oraz szerokości i długości odpowiadającej wymiarom próbki. Warstwa materiału osłonowego posiadała wyższą podatność na uplastycznienie niż nałożona poniżej metaliczna warstwa przekładkowa ze stopu magnezu AM60. Mieszające narzędzie robocze wykonane zostało z obrobionej cieplnie stali narzędziowej do pracy na gorąco X37CrMoV5-1 i składało się z wieńca opory o średnicy 15 mm oraz trzpienia mieszającego w kształcie stożka o długości 7 mm i podstawach tworzących stożek 6 mm oraz 4 mm. Powierzchnia boczna stożka była gwintowana. Prędkość przesuwu narzędzia w otrzymanej wielowarstwie była stała i wynosiła 1 mm/s, natomiast prędkość zagłębiania się narzędzia w kierunku prostopadłym do powierzchni materiału równa była 0,1 mm/s, przy czym powierzchnia czołowa trzpienia obracającego się narzędzia roboczego została zagłębiona w powstałej wielowarstwie na głębokość odpowiadającą sumarycznej grubości naniesionych warstw. Prędkość obrotowa narzędzia mieszającego N wynosiła 500 obr./min. W trakcie obróbki narzędzie robocze było odchylone od pionu o 3 stopnie. W zakresie przyjętych parametrów obróbki tarciowej obserwowano uplastycznienie stopu aluminium z warstwy zewnętrznej, rozdzielającej jak i w warstwie wierzchniej podłoża oraz intensywne rozproszenie cząstek C2O3 w warstwie wierzchniej stopu, skutkujące powstaniem struktury kompozytowej typu metal-ceramika.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów metalicznych polegający na umieszczeniu na powierzchni materiału modyfikowanego warstwy materiału modyfikującego, a następnie umieszczeniu na nim metalicznej warstwy materiału osłonowego po czym zagłębieniu obracającego się trzpienia narzędzia roboczego w materiał modyfikowany i modyfikujący, nagrzaniu tarciowym, uplastycznieniu i zmieszaniu materiału modyfikowanego z materiałem modyfikującym z jednoczesnym przemieszczaniem się obracającego się trzpienia narzędzia roboczego równolegle do powierzchni materiału modyfikującego, znamienny tym, że na powierzchnię materiału modyfikowanego nakłada się co najmniej dwie podwójne warstwy składające się z warstwy materiału modyfikującego i metalicznej warstwy przekładkowej, przy czym zewnętrzną warstwę przekładkową stanowi metaliczna warstwa materiału osłonowego wykonana z materiału o wyższej podatności na uplastycznienie niż wewnętrzne warstwy przekładkowe, a następnie w tak powstałą wielowarstwę zagłębia się obracające się narzędzie robocze co najmniej na głębokość odpowiadającą grubości naniesionej wielowarstwy.