Расходуемый инструмент для нанесения покрытий методом совместной деформации материала основы и инструмента

Полезная модель относится к областям сварки трением и нанесения покрытий и может быть использована для нанесения однослойных и многослойных покрытий на материал подложки, аналогичный или отличный от материала расходуемого инструмента.
Впервые метод сварки трением листов за счет вращающегося расходуемого инструмента был запатентован авторами Klopstock и Neelands в Великобритании, патент № 572789. Однако, запатентованный метод не имел широкого распространения по причине образования большого количества дефектов в шве, что объясняется V-образной и U-образной подготовкой кромок свариваемых листов.
Качество соединения может быть улучшено за счет использования плоских поверхностей для свариваемых листов и расходуемого инструмента (см. патент Великобритании № 2270864, опубл. 30.03.1994 по классу МПК B23K20/12). Расходуемый инструмент выполнен в виде стержня со сквозным каналом, в который засыпают порошок металла или сплава. Недостатком такого инструмента является образование «наплывов» на боковых гранях инструмента, что приводит к появлению течения материала инструмента с рабочей плоскости на боковые грани. Это эффект приводит к уменьшению ширины наносимого слоя. В процессе сваривания металлических листов не обеспечивается на боковых участках наносимого слоя сплавление (схватывание) с поверхностью свариваемых листов, т.е. не образуется сплошная линия сплавления по всей ширине между подложкой и наносимым материалом. Этот эффект приводит к уменьшению ширины наносимого слоя. Результат течения материала на боковые грани инструмента и образовавшиеся вследствие этого области несплавления по краям нанесенного слоя представлены на Фиг. 1. Кроме этого, применение инструмента возможно только для сварки трением с перемешиванием, а для нанесения покрытия заявленная конструкция инструмента непригодна.
Технической проблемой является создание расходуемого инструмента для нанесения покрытий методом совместной деформации материала основы и инструмента, конструкция которого обеспечит нанесение материала на основу за один проход без образования областей несплавления на боковых участках нанесенного слоя за счет увеличения среднего давления инструмента на материал основы без увеличения вертикального усилия на инструмент. Этот эффект может быть достигнут путем уменьшения площади основания рабочей части расходуемого инструмента, непосредственно взаимодействующего с материалом основы, за счет чего на боковых участках основания рабочей части расходуемого инструмента, а впоследствии на краях нанесенного слоя нормальные напряжения увеличатся. Увеличение нормальных напряжений на боковых участках основания рабочей части инструмента приводит к увеличению выделения теплоты при трении инструмента о поверхность материала основы. Выделение большего количества теплоты влечет за собой увеличение температуры на боковых участках основания рабочей части инструмента, что способствует сплавлению материала инструмента с материалом основы и образованию равномерного наплавляемого слоя без образования зазоров на периферийных участках. Уменьшение площади поверхности основания рабочей части инструмента, приводимой в контакт с материалом основы в процессе нанесения покрытий, достигается выполнением цилиндрических каналов в вертикальном направлении на глубину запланированного расходования инструмента.
Расходуемый инструмент для нанесения покрытий методом совместной деформации материалов основы и инструмента, выполненный в виде стержня цилиндрической формы, диаметр которого равен требуемой ширине наносимого покрытия и находится в интервале 10 – 100 мм,
отношение длины расходуемой части инструмента L2 к диаметру инструмента D1 находится в интервале 2,5 – 3,5,
верхняя часть инструмента предназначена для закрепления в приводе вращения, а со стороны рабочей части выполнены цилиндрические каналы, равноудаленные от оси симметрии стержня,
причем , где N – число каналов и больше 1, D1 – диаметр инструмента, мм, D2 - диаметр поперечного сечения каналов, мм,
при этом глубина цилиндрических каналов не более 2/3 от длины стержня.
Техническая задача решается за счет изменения геометрических параметров расходуемого инструмента. Верхняя его часть выполнена в виде сплошного стержня и предназначена для закрепления в приводе вращения, а рабочая часть выполнена с технологическими цилиндрическими каналами заданного диаметра в вертикальном направлении на глубину запланированного расходования инструмента L2. Каналы нецелесообразно выполнять сквозными по причине возможной деформации верхней части расходуемого инструмента при зажатии в привод вращения. Каналы расположены на равном расстоянии В от оси симметрии стержня.
Полезная модель поясняется чертежами:
- на Фиг. 2 схематично изображен расходуемый инструмент 1, где 2 – верхняя часть 3 – рабочая часть, 4 – каналы, D1 – диаметр инструмента 1, D2 – диаметр каналов 4, L – длина инструмента 1, L2 – глубина каналов 4, B – расстояние от оси симметрии инструмента 1 до оси симметрии каналов 4.
- на Фиг. 3 схематично изображен расходуемый инструмент в разрезе;
- на Фиг. 4 вид расходуемого инструмента со стороны рабочей части;
- на Фиг. 5 представлена микрофотография макроструктуры нанесенного покрытия расходуемым инструментом.
Расходуемый инструмент 1 выполнен в виде стержня цилиндрической формы. Верхняя часть 2 инструмента 1 предназначена для закрепления в приводе вращения. Со стороны рабочей части 2 выполнены цилиндрические каналы 4 диаметром D2. Глубина каналов 4 определяется разницей между общей длиной инструмента и длиной части инструмента, помещаемой в привод вращения.
Выполнение цилиндрических каналов обеспечивает образование наплавляемого слоя на материал основы за один проход без областей несплавления на боковых участках нанесенного слоя за счет увеличения среднего давления инструмента на основу без увеличения вертикального усилия на инструмент.
Конкретные конструктивные параметры инструмента определяются необходимой толщиной наплавляемого слоя, размерами материала основы, параметрами привода вращения используемого станка, допустимым усилием в вертикальном направлении.
Диаметр инструмента D1 определяется в первую очередь требуемой шириной наносимого слоя покрытия, а также возможностями оборудования для нанесения покрытия, а именно геометрическими характеристиками привода вращения, ограничениями по усилию и моменту привода вращения. Диаметр инструмента D1 находится в интервале 10 – 100 мм.
Расстояние B от оси симметрии инструмента 1 до оси симметрии каналов 4 зависит от диаметра инструмента D1 и равняется его четверти.
Обязательным условием является соотношение длины расходуемой части инструмента L2 к диаметру инструмента D1:  = 2,5–3,5; что обеспечивает устойчивость инструмента во время нанесения покрытия. Также обязательным является соотношение площади поперечного сечения каналов 4 к площади поперечного сечения инструмента 1:
, где N – число каналов 4 в инструменте 1, при этом .
Минимальный диаметр D2 соответствует 4 мм, т.к. отверстия меньшего диаметра сложно высверлить на большую глубину с соблюдением вертикальности оси отверстия, а число N должно иметь значение более 1, но менее 7. Увеличение количества отверстий более 6 может привести к потере устойчивости инструмента во время его работы. Максимальная глубина L2 канала 4 определяется разницей между общей длиной инструмента и длиной верхней части 3 инструмента, помещаемой в привод вращения.
Заявляемая конструкция инструмента позволяет за счет увеличения нормальных напряжений, действующих на инструмент и на основу во время нанесения покрытия, обеспечить соединение наносимого материала с подложкой, минимизировав ширину области несплавления на боковых участках наплавляемого слоя.
Диаметр инструмента выбирают из расчета технических характеристик станка, выбранного для реализации технологического процесса, а именно максимально допустимого усилия в вертикальном направлении, максимально допустимого вращающего момента и диаметра патрона для фиксации верхней части инструмента. Помимо этого, целесообразно использовать инструмент, диаметр которого равен требуемой ширине наносимого покрытия и находится в интервале 10 – 100 мм. Расходуемый инструмент как правило изготавливают из однородного материала основы.
Был изготовлен инструмент из алюминиевого сплава АМг5 для нанесения покрытия на лист из алюминиевого сплава АМг5 толщиной 3,8 мм. Исходная заготовка для изготовления инструмента – пруток из АМг5 диаметром 25 мм. Параметры инструмента: D1 – 20 мм, D2 – 5 мм, L – 85 мм, L2 – 60 мм, B – 5 мм. Диапазон толщин наносимых покрытий составляет от 0,5 мм до 1 мм за один проход.
Параметры режима нанесения покрытия: вращение инструмента - 1200 об/мин, подача инструмента - 400 мм/мин, угол наклона – 2 град.
На Фиг. 5 представлены микрофотографии макроструктуры нанесенного покрытия толщиной около 0,7 мм, полученные с помощью оптического микроскопа Carl Ziess Axio Observer Z1. Макроструктура нанесенного покрытия подтверждает образование равномерного наплавляемого слоя без образования зазоров на периферийных участках.
Была исследована твердость полученных образцов. Измерения проводились по методу Виккерса с нагрузкой 100 грамм, выдержка под нагрузкой – 10 секунд.
При нанесении слоя толщиной около 0,7 мм отмечается повышение твердости металла покрытия (113-123,7 HV) по сравнению с основным металлом (103,6-106,9 HV). Твердость поверхности нанесенного материала соответствует максимальному значению. Этот эффект достигается формированием мелкодисперсной микроструктуры в нанесенном слое за счет реализации больших степеней и скоростей деформации при повышенной температуре, что приводит к протеканию процессов рекристаллизации.
Разработанный расходуемый инструмент заявляемой конструкции обеспечивает получение равномерного наносимого слоя на материале основы с образованием минимальных зазоров на периферийных участках нанесенного слоя.