Способ изготовления долговечного инструмента для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов
METHOD OF MANUFACTURE OF A DURABLE INSTRUMENT FOR FRICTION WELDING WITH MIXING OF ALUMINUM ALLOYS

Настоящее изобретение относится к области сварки трением с перемешиванием, в частности к области сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов.
Из уровня техники известен инструмент для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов, содержащий коллектор, включающий в себя устройство для подвода хладагента через входные отверстия в корпусе инструмента и связанного с системой охлаждающих каналов, выполненных внутри корпуса. Система охлаждающих каналов соединена с полостью, выполненной в нижней части корпуса, и с выходными отверстиями, выполненными в верхней части корпуса. По заявлениям авторов данная конструкция обеспечивает эффективное охлаждение инструмента и, как следствие, его высокую стойкость в процессе интенсивного нагрева (RU № 2446926 C1, публ. 10.04.2012).
Недостатками этого инструмента являются низкая технологичность при производстве инструмента из-за сложности изготовления внутренних каналов охлаждения, а также низкая надёжность конструкции, обусловленная тем, что непосредственно рабочая часть инструмента не имеет прямого охлаждения, вследствие чего возможен локальный перегрев и деградация структуры материала пина и плечиков рабочей части инструмента при больших оборотах сварки, что может привести к его преждевременному разрушению.
Задачей предлагаемого изобретения является изготовление инструмента для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов, обладающего высокой технологичностью в процессе производства, а также высокой надёжностью и долговечностью в процессе эксплуатации.
Задача достигается тем, что в качестве материала для изготовления инструмента выбирается инструментальная штамповая сталь, демонстрирующая при отпуске пик вторичной твёрдости на температуре не ниже 500°С, с сохранением твердости на уровне не менее 54 HRC.  Обработку исходной заготовки из выбранной стали с твёрдостью не более 25 HRC проводят на токарном станке с использованием твердосплавных резцов до требуемых размеров с припуском от 0,2 до 0,5 мм, с последующей термической обработкой, заключающейся в закалке с последующим отпуском на получение пика вторичной твердости и последующим доведением размеров инструмента до требуемых за счёт снятия припуска операцией точения с использованием резцов с эльборовыми вставками или любого другого инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных материалов.
При осуществлении заявленного способа возможно получение инструмента, способного работать при повышенных температурах  долгое время с сохранением комплекса высоких механических характеристик, без использования какой-либо дополнительной оснастки или конструктивных решений для охлаждения инструмента, а также достаточно технологичного при производстве за счёт рационального выбора процессов обработки и отсутствия необходимости изготовления внутренних полостей или каналов непосредственно в самом инструменте.
Осуществление изобретения
В качестве материала инструмента может использоваться любая инструментальная штамповая сталь, имеющая пик вторичной твёрдости (ГОСТ 5950-2000, приложение В) при температуре не ниже 500°С при твердости не ниже 54 HRC после отпуска. В нашем случае описан пример изготовления инструмента из штамповой стали Х12МФ.
Из цельной заготовки стали Х12МФ, с твёрдостью не выше 25 HRC, с помощью твердосплавных резцов на токарном станке вытачивается инструмент требуемых геометрических размеров с припуском от 0,2 до 0,5 мм. Припуск необходим, так как при термообработке неизбежна деградация химического состава поверхностного слоя материала, а также для обеспечения точности конечных размеров инструмента. Также на этом этапе обработки высверливаются технологические отверстия, если в этом есть необходимость. Твердость исходной заготовки 25 HRC позволит сохранить свойства обрабатывающего инструмента и продлить его ресурс.
После чего проводится термическая обработка позволяющая сформировать в инструменте необходимые значения эксплуатационных характеристик. Закалка с температуры 1020°С осуществляется на воздухе или в масло. Выдержка при нагреве под закалку составляет одна минута на миллиметр заготовки плюс двадцать минут. Допускается выдержка в печи (для Х12МФ) при температуре закалки без использования защитных атмосфер. Закалка позволяет перевести в твёрдый раствор легирующие элементы, в частности хром, ванадий и молибден. Отпуск производится при температуре 500°С в течение 90 минут. Такой отпуск позволяет сформировать в сталях этого класса карбиды хрома, молибдена и ванадия, устойчивые при указанной температуре отпуска, и обеспечивающие дисперсионное упрочнение материала. Указанная термическая обработка обеспечивает теплостойкость стали Х12МФ при температуре 510°С в течение часа на уровне 59 HRC. Это позволит использовать указанный инструмент для сварки алюминиевых сплавов при больших частотах вращения инструмента. Стоит отметить, что разогрев алюминиевых сплавов, используемых в промышленности до температуры 500°С и выше, нежелателен из-за сильной деградации структуры (укрупнения размеров зерна, а также коагуляции и растворения частиц упрочняющей фазы) областей основного материала, прилегающих непосредственно к сварному соединению (зон термического воздействия). Наиболее распространенная температура материала в процессе сварки трением с перемешиванием 350-450°С.
После термической обработки производится финишная обработка на токарном станке по доведению размеров инструмента до необходимых значений за счёт снятия припуска с помощью резца, содержащего эльборовые вставки, или любого другого инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных материалов.
Такая последовательность операций изготовления позволит получить инструмент для сварки трением с перемешиванием, способный работать при повышенных температурах и нагрузках, сохранив при этом рабочий ресурс резцов, используемых при изготовлении инструмента.