RU2777806C1 - Способ повышения прочности детали с покрытием - Google Patents

Способ повышения прочности детали с покрытием Download PDF

Info

Publication number
RU2777806C1
RU2777806C1 RU2021139860A RU2021139860A RU2777806C1 RU 2777806 C1 RU2777806 C1 RU 2777806C1 RU 2021139860 A RU2021139860 A RU 2021139860A RU 2021139860 A RU2021139860 A RU 2021139860A RU 2777806 C1 RU2777806 C1 RU 2777806C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coating
substrate
strength
deforming element
electric current
Prior art date
Application number
RU2021139860A
Other languages
English (en)
Inventor
Эътибар Юсиф Оглы Балаев
Владимир Николаевич Елисеев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2777806C1 publication Critical patent/RU2777806C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к способу повышения прочности детали с покрытием. Осуществляют поверхностно-пластическое деформирование путём обкатки деформирующим элементом с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока. Через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали пропускают импульсный электрический ток плотностью 1-2·105А/см2 и длительностью 1-2·10-5 с до достижения усилия прижима 5000-10000 Н. Затем при усилии прижима 5000-10000 Н осуществляют сваривание по сопрягаемым поверхностям в месте плотного контакта покрытия и подложки путем пропускания через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока плотностью 3-5·105А/см2 и длительностью 3-5·10-5с со скоростью перемещения пятна деформации 1-2·10-3 м/мин при продольной подаче 0,01-0,02 мм/об. В результате повышается адгезионная прочность между покрытием и подложкой, снижаются остаточные напряжения и дефекты вдоль границ раздела покрытие - подложка, а также повышается когезионная прочность. 3 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам повышения прочности деталей с покрытиями из металлов и их сплавов.
Аналогом изобретения является патент РФ № 2725786 способ повышения прочности детали с покрытием, включающий ультразвуковую обработку упрочняющим элементом, деформирующим поверхность покрытия одновременно с пропусканием высокочастотных импульсов разряда тока через упрочняющий элемент в зону обработки к поверхности покрытия с частотой импульсных разрядов 22-24 кГц одиночными импульсами тока плотностью 1-2·105А/см2 и длительностью 1-2·10-5с. Усилие прижима упрочняющего элемента во время ультразвуковой обработки 1500-2000 Н, при частоте колебаний 22-24 кГц, амплитуде 20-60 мкм, линейной скорости перемещения пятна деформации упрочняющего элемента 1-2·10-3 м/мин и продольной подаче 0,01-0,02 мм/об.
Недостатками данного способа является получение детали с низкими эксплуатационными характеристиками, что обусловлено низкой адгезионной прочностью между покрытием и подложкой, а также неравномерность получаемого сварного шва по толщине. Неравномерность получаемого сварного шва по толщине вызвана проскакиванием части импульса разряда тока через предыдущую сварную точку (так называемый эффект шунтирования), что снижает эффективность от пропускаемого импульса разряда тока для формирования следующей сварной точки формируемого шва. Эффект шунтирования обусловлен тем, что разряд тока проскакивает по пути наименьшего сопротивления, поэтому в ряде случаев при высокой пористости покрытия все импульсы разрядов тока (полностью или основная часть разряда пропускаемого импульса тока) могут проскакивать через первую сварную точку формируемого шва. Таким образом, может не формироваться сварной шов, так как плотности тока проскакиваемого импульса разряда может быть недостаточно для нагрева материалов покрытия и подложки вдоль границы раздела до температуры их плавления. Таким образом, из-за проскакивания части пропускаемого разряда через ближайшую сварную точку формируемого шва (ток шунтирования) сварной шов не равномерен по толщине или вовсе может не сформироваться. Решение данной проблемы возможно путем повышения давления прижатия в месте, через которое будет пропускаться импульс разряда тока, что позволит обеспечить более плотное сопряжение материалов покрытия-подложки. Увеличение силы прижатия позволит также частично или полностью устранить пористость на границе сопряжения материалов покрытия-подложки за счет возникновения пластической деформации. Однако при увеличении силы прижима возникают значительные деформации, превышающие предел пластической деформации, и приводящие к возникновению трещин в покрытии или в ряде случаев растрескиванию и отслаиванию покрытия. При этом неравномерность по толщине сварного шва является источником возникновения остаточных напряжений приводящих к дальнейшему растрескиванию покрытия.
Аналогом изобретения является патент РФ № 2625619 способ повышения прочности детали с покрытием, включающий поверхностно-пластическое деформирование путём обкатки деформирующего элемента, с последующим упрочнением покрытия ультразвуковой обработкой с частотой ультразвуковых колебаний 18-22 кГц упрочняющим элементом, при этом расстояние между деформирующим и упрочняющим элементами составляет 10-30 мм, а линейная скорость перемещения пятна деформации деформирующих и упрочняющих элементов 50-100·10-3 м/с при продольной подаче 0,08-0,12 мм/об, при этом сила прижима деформирующего элемента составляет 50-3000 Н, а упрочняющего элемента составляет 100-1000 Н.
Недостатком данного способа является получение детали с низкими эксплуатационными характеристиками, обусловленные низкой адгезионной прочностью между покрытием и подложкой, что связано с ограничением толщины покрытия и невозможностью повышения показателя адгезионной прочности при толщине покрытия более 0,5 мм.
Прототипом изобретения является патент РФ № 2625508 способ повышения прочности детали с покрытием, включающий поверхностно-пластическое деформирование путём обкатки деформирующим элементом, при этом поверхностно-пластическое деформирование осуществляют с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока силой 2-5 кА, напряжением 2-3 В, с длительностью импульсов 0,08-0,2 с и с частотой импульсов 0,16-0,4 Гц, а поверхностно-пластическое деформирование осуществляют в радиальном направлении с силой прижима 50-3000 Н, со скоростью перемещения пятна деформации 50-100·10-3 м/с при продольной подаче 0,08-0,12 мм/об.
Недостатком данного способа является получение детали с низкими эксплуатационными характеристиками, что обусловлено возникновением остаточных напряжений при сплавлении материла покрытия с материалом подложки, в результате чего на границе раздела покрытие-подложка и между слоями покрытия появляются трещины, а также вследствие сплавления из-за наличия пор образуются раковины. Недостатком данного способа также является невозможность его применения для повышения адгезионной прочности между покрытием и подложкой, что связано с ограничением толщины покрытия и его разрушением при толщине менее 1 мм. Еще одним недостатком данного способа является неравномерность получаемого сварного шва по толщине, что обусловлено проскакиванием части импульса разряда тока через предыдущую сварную точку (так называемый эффект шунтирования), что снижает эффективность от пропускаемого импульса разряда тока для формирования следующей сварной точки формируемого шва. Эффект шунтирования обусловлен тем, что разряд тока проскакивает по пути наименьшего сопротивления, поэтому в ряде случаев при высокой пористости покрытия все импульсы разрядов тока (полностью или основная часть разряда пропускаемого импульса тока) могут проскакивать через первую сварную точку формируемого шва и, таким образом, может не формироваться сварной шов, так как плотности тока проскакиваемого импульса разряда может быть недостаточно для нагрева материалов покрытия и подложки вдоль границы раздела до температуры их плавления. Таким образом, из-за проскакивания части пропускаемого разряда через ближайшую сварную точку формируемого шва (ток шунтирования) сварной шов не равномерен по толщине или вовсе может не сформироваться. Решение данной проблемы возможно путем повышения давления прижатия в месте, через которое будет пропускаться импульс разряда тока, что позволит обеспечить более плотное сопряжение материалов покрытия-подложки. Увеличение силы прижатия позволит также частично или полностью устранить пористость на границе сопряжения материалов покрытия-подложки за счет возникновения пластической деформации. Однако при увеличении силы прижима возникают значительные деформации, превышающие предел пластической деформации, и приводящие к возникновению трещин в покрытии или в ряде случаев растрескиванию и отслаиванию покрытия. При этом неравномерность по толщине сварного шва является источником возникновения остаточных напряжений приводящих к дальнейшему растрескиванию покрытия.
Задачей изобретения является усовершенствование способа повышения прочности детали с покрытием из металлов и их сплавов, позволяющее обеспечить повышение физико-механических свойств детали с покрытием.
Техническим результатом изобретения является повышение адгезионной прочности между покрытием и подложкой, снижение остаточных напряжений и дефектов вдоль границ раздела покрытие-подложка, а также повышение когезионной прочности.
Технический результат достигается тем, что способ повышения прочности детали с покрытием, включающий поверхностно-пластическое деформирование путём обкатки деформирующим элементом, при этом поверхностно-пластическое деформирование осуществляют с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока, отличающийся тем, что через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали пропускают импульсный электрический ток плотностью 1-2·105А/см2 и длительностью 1-2·10-5с до достижения усилия прижима 5000-10000 Н, а затем при усилии прижима 5000-10000 Н осуществляют сваривание по сопрягаемым поверхностям в месте плотного контакта покрытия и подложки путем пропускания через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока плотностью 3-5·105А/см2 и длительностью 3-5·10-5с со скоростью перемещения пятна деформации 1-2·10-3 м/мин при продольной подаче 0,01-0,02 мм/об.
При деформации поверхности покрытия нанесенного на деталь деформирующим элементом в результате пропускания первого импульсного разряда тока по покрытию приводит к разупрочнению металла, возникает так называемый электропластический эффект (или эффект Троицкого). Электропластический эффект сопровождается снятием наклепа, возникающего в результате получаемой деформации покрытием из-за воздействия на него упрочняющего элемента. В свою очередь это позволяет более эффективно проводить поверхностную деформацию и обеспечивает возможность приложения больших усилий, что способствует значительному снижению пористости покрытия и повышению когезионной прочности, а также обеспечивает необходимую плотность и площадь сопряжения на границе раздела покрытие-подложка в месте деформирования соответствующим элементом при необходимом значении усилия прижима. Таким образом, создаются условия для проскакивания второго разряда импульса тока через данную точку от поверхности покрытия в тело подложки, так как именно в данной точке имеется меньшее сопротивление для проскакивания разряда импульса тока. В результате пропускания, через деформированную зону второго импульса разряда тока, проходящего через покрытие к подложке, на границе раздела между покрытием и подложкой происходит локальный нагрев до температуры плавления из-за разности электросопротивлений материалов подложки и покрытия, как следствие, в зоне оплавления происходит сварка покрытия и подложки, при этом верхний слой покрытия и нижний слой подложки не оплавляются, что позволяет сохранить их свойства. При перемещении деформирующего элемента, покрытие частично восстанавливает свою первоначальную форму в результате явления релаксации и упругой деформации, также возникшие высокие температуры в зоне проскакивания второго разряда импульса тока от покрытия к подложке через границу их раздела отводятся в тело подложки и покрытия, что ускоряет процесс охлаждения. При этом происходит нагрев тела покрытия и подложки с одновременным их дальнейшим охлаждением, что также приводит к явлению самоотпуска без возникновения значительных остаточных напряжений, а при правильном подборе режимов и их соблюдении возможно избежать возникновения остаточных напряжений. Для обеспечения создания сварного шва по всей линии раздела покрытие-подложка, а также приближения его к равномерности по толщине по всей длине и площади сварного шва, вторая и последующие точки сварного шва также ставятся в два этапа. На первом этапе происходит деформирование покрытия при пропускании первого разряда импульса тока по покрытию, позволяющего добиться электропластического эффекта Троицкого и обеспечить необходимую по значению деформацию и усилие прижима, которые в свою очередь обеспечивают снижение пористости покрытия и повышение когезионной прочности, а также необходимую плотность и площадь сопряжения на границе раздела покрытие-подложка в месте деформирования. В совокупности это создает условия для проскакивания второго разряда импульса тока от покрытия в подожку именно через данную зону, так как именно она имеет наименьшее сопротивление, даже в сравнении с поставленной первой (или предыдущей) точкой, что позволяет значительно снизить и в ряде случаев свести до нуля возможное проскакивание токов шунтирования через первую (предыдущую) точку формируемого сварного шва. Таким образом, через зону, образуемую в результате деформации при одновременном пропускании первого разряда тока по покрытию, проскакивает разряд импульса тока, составляющего 98-100% от плотности тока, пропускаемого через покрытие в подложку. Таким образом, ток шунтирования не приводит к снижению плотности тока разряда, так как либо не возникает, либо имеет небольшой процент от общей плотности пропускаемого разряда импульса тока от покрытия к подложке. Таким образом, удается обеспечить приближенную равномерность по размерам ядра оплавления точек формируемого сварного шва. Это в свою очередь позволяет избежать остаточных напряжений связанных с неравномерностью шва, а также позволяет получить одинаковые значения адгезионной прочности по всей границе раздела подложка-покрытие, что позволяет с необходимой точностью прогнозировать эксплуатационные характеристики и срок службы деталей с покрытиями, и является важным с точки зрения инженерно-конструкторской деятельности.
Таким образом, совокупность предложенных приемов позволяет достичь поставленного технического результата.
Предлагаемый способ повышения прочности детали с покрытием подтверждается конкретным примером.
Пример.
На специальный цилиндрический стальной образец (Сталь 45) диаметром 10 мм было нанесено покрытие из FeMnNiAl методом высокоскоростного газопламенного напыления толщиной 0,8 мм, предварительно образцы были обезжирены. После чего образец подвергли поверхностно-пластическому деформированию путём обкатки трёхроликовым приспособлением с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока, с различными параметрами за один рабочий проход. После чего эти образцы были подвергнуты испытаниям на адгезионную прочность методом сдвига. Параметры обработки образца по известному способу представлены в табл. 1, а результаты испытаний образца, обработанного по известному способу, представлены в табл. 3.
Три образца, подготовленных по аналогичному способу получения первого образца, были подвергнуты поверхностно-пластическому деформированию с одновременным пропусканием разряда импульса электрического тока по покрытию до обеспечения достижения необходимых по значению деформации покрытия и усилия прижима, за счет электропластического эффекта Троицкого. Эффект Троицкого позволяет достичь снижения пористости покрытия и повышения когезионной прочности, а также необходимой плотности и площади сопряжения на границе раздела покрытие-подложка в месте деформирования, обеспечивая все условия для прохождения следующего разряда импульса тока от покрытия к подожке через границу раздела покрытие-подложка. По достижению необходимых по значению деформации покрытия и усилия прижима осуществляли сваривание по сопрягаемым поверхностям в месте плотного контакта покрытия и подложки путем пропускания через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали второго разряда импульса электрического тока с различными параметрами. Затем эти образцы также были подвергнуты испытаниям на адгезионную прочность методом сдвига.
Параметры обработки образцов с покрытием по заявляемому способу представлены в табл. 2.
Результаты испытаний образцов, обработанных по заявляемому способу, представлены в табл. 3.
Таблица 1 – Параметры обработки образца по известному способу
Сила прижима ролика ППД, Н Скорость обкатки, м/с Сила тока, кА Напряжение тока,
В
Частота импульсов,
Гц
Длительность импульса, мс Продольная подача, мм/об
1 3000 90·10-3 5 3 0,4 0,2 0,08
Таблица 2 – Параметры обработки образцов с покрытием по заявляемому способу
Плотность тока при деформации первый разряд, А/см2 Длительность разряда импульса тока при деформации первый разряд, с Развиваемое усилие прижима ролика ППД, Н Плотность тока при формировании пятна сварки второй разряд, А/см2 Длительность разряда импульса тока при формирования пятна сварки второй разряд, с Скорость обкатки, м/мин Продольная подача, мм/об
1 1·105 2·10-5 5000 5·105 3·10-5 2·10-3 0,02
2 1,5·105 1,5·10-5 7500 4·105 4·10-5 1,5·10-3 0,015
3 2·105 1·10-5 10000 3·105 5·10-5 1·10-3 0,01
Таблица 3 – Результаты испытаний образцов, обработанных по известному и заявляемому способам
Наименование показателя Наименование образцов, обработанных по известному и заявляемому способам
Образец, обработанный по известному способу Образцы, обработанные по заявляемому способу
пример 1 пример 2 пример 3
Oтносительная пористость, % 0,82 0,5 0,33 0,2
Адгезионная прочность, МПа 135 139 147 155
Когезионная прочность, МПа 155 157 163 172
Предложенный способ повышения прочности детали с покрытием обеспечивает улучшение физико-механических свойств детали за счет повышения адгезионной прочности между покрытием и подложкой, снижения остаточных напряжений, уменьшения пористости покрытия и, как следствие, повышения когезионной прочности, а также позволяет получить равномерный по толщине слой формируемого сварного шва вдоль всей границы раздела подложка-покрытие.

Claims (1)

  1. Способ повышения прочности детали с покрытием, включающий поверхностно-пластическое деформирование путём обкатки деформирующим элементом, при этом поверхностно-пластическое деформирование осуществляют с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока, отличающийся тем, что через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали пропускают импульсный электрический ток плотностью 1-2·105А/см2 и длительностью 1-2·10-5 с до достижения усилия прижима 5000-10000 Н, а затем при усилии прижима 5000-10000 Н осуществляют сваривание по сопрягаемым поверхностям в месте плотного контакта покрытия и подложки путем пропускания через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока плотностью 3-5·105А/см2 и длительностью 3-5·10-5с со скоростью перемещения пятна деформации 1-2·10-3 м/мин при продольной подаче 0,01-0,02 мм/об.
RU2021139860A 2021-12-30 Способ повышения прочности детали с покрытием RU2777806C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2777806C1 true RU2777806C1 (ru) 2022-08-10

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3438742C2 (ru) * 1984-10-23 1988-03-24 Maschinenfabrik Alfing Kessler Gmbh, 7080 Aalen, De
RU2345876C2 (ru) * 2007-01-30 2009-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) Способ обработки поверхностей комбинированным накатыванием
RU2349442C2 (ru) * 2007-02-01 2009-03-20 Евгений Владимирович Болтенко Способ электромеханической обработки поверхности деталей машин
RU2625508C1 (ru) * 2016-10-10 2017-07-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ повышения прочности детали с покрытием

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3438742C2 (ru) * 1984-10-23 1988-03-24 Maschinenfabrik Alfing Kessler Gmbh, 7080 Aalen, De
RU2345876C2 (ru) * 2007-01-30 2009-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) Способ обработки поверхностей комбинированным накатыванием
RU2349442C2 (ru) * 2007-02-01 2009-03-20 Евгений Владимирович Болтенко Способ электромеханической обработки поверхности деталей машин
RU2625508C1 (ru) * 2016-10-10 2017-07-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ повышения прочности детали с покрытием

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018077067A1 (zh) 一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件及其制造方法
JP6558443B2 (ja) 抵抗スポット溶接方法
EP3020499B1 (en) Resistive spot welding method
US9938600B2 (en) Manufacturing a hardened formed part
CN109434384B (zh) 一种涂层钢板的制备方法及装置、热冲压方法
Radek et al. Influence of laser treatment on the properties of electro-spark deposited coatings
CN111511497A (zh) 电阻点焊接接头的制造方法
RU2777806C1 (ru) Способ повышения прочности детали с покрытием
RU2243071C2 (ru) Способ контактной точечной сварки оцинкованных стальных листов
RU2725786C1 (ru) Способ повышения прочности детали с покрытием
RU2423214C1 (ru) Способ восстановления прецизионных деталей
Maeno et al. Removal of thin oxide scale by ultrasonic cleaning with diluted hydrochloric acid in hot stamping of bare 22MnB5 sheet using resistance heating
RU2625508C1 (ru) Способ повышения прочности детали с покрытием
JP2019155473A (ja) 抵抗スポット溶接部材の製造方法
RU2805093C1 (ru) Способ получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника
RU2777807C1 (ru) Способ повышения прочности детали с покрытием
RU2804901C1 (ru) Способ получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника
Phan et al. Influence of process parameters on the microstructural characteristics and mechanical properties of recast layer thickness coating on die steel machined surface after electrical discharge machining
CN111230275A (zh) 一种适用于铝钢异种金属的带极点焊焊接工艺
JP2001287061A (ja) マルテンサイト系ステンレス溶接鋼管の製造方法
RU2804900C1 (ru) Способ получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника
RU2304185C1 (ru) Способ нанесения упрочняющего покрытия с армирующим эффектом
RU2710246C1 (ru) Способ получения покрытия на поверхности детали из стали
Radek et al. Investigations of the Cu-Mo and Cu-Ti electrospark coatings after laser treatment
KR101482390B1 (ko) 저항 용접 장치 및 방법