Способ наплавки с упрочнением волной деформации
METHOD FOR SURFACING WITH HARDENING BY STRAIN WAVE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к упрочняющей обработке наплавленного металла на поверхности заготовки, применяемой для изготовления и восстановления наплавкой деталей и инструментов.
Наплавка металлического материала - это эффективный способ получения на поверхности изделий слоя с необходимыми свойствами, а также получения первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей.
Известен способ наплавки плавящимся электродом в среде защитных газов, при котором дуга возникает между основным металлом и электродом. Наплавка протекает в условиях автоматической подачи электрода [Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. - М.: Машиностроение, 1985, с. 49-51].
Недостатком такого способа является возникновение остаточных напряжений, как в основном, так и в наплавленном металле, вызывающих образование трещин, а также недостаточная твердость наплавленного слоя, не способная обеспечивать требуемое повышение ресурса наплавленных поверхностей деталей.
Известен способ упрочнения наплавленной быстрорежущей стали, при котором после дуговой наплавки, во время охлаждения наплавленного металла (в температурном интервале от (Мн+80)°С до 200°С, где Мн - температура начала мартенситного превращения наплавленной быстрорежущей стали), проводят упрочняющую чеканку фасонным бойком наплавленного металла с энергией удара от 6 до 7 Дж и последующий локальный высокотемпературный отпуск [Патент №2627837 РФ. Способ изготовления наплавленного биметаллического режущего инструмента.
Бюлл. №23, 2017]. Способ позволяет увеличить твердость и прочность металла, повысить износостойкость режущей части биметаллического инструмента, а также уменьшить энергозатраты на его изготовление.
Недостатком способа является то, что способ используется только для упрочнения тонкого наплавленного слоя толщиной 1-2 мм и не позволяет эффективно упрочнять более глубокий наплавленный слой, полученный, в том числе, многослойной наплавкой.
Известен способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) металлических материалов, при котором происходит формирование упрочненной структуры материала под действием ударных волн деформации, в результате чего на упрочняемой поверхности образуется совокупность пластических отпечатков с определенным размером, перекрытием и кратностью приложения [Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. 288 с; Патент №2098259 РФ, МКИ В24В 39/00. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / А.Г. Лазуткин, А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев. Бюлл. №34, 1997]. При использовании статико-импульсной обработки может быть получен упрочненный поверхностный слой, глубиной от 0,1-0,3 мм до 8-10 мм и твердостью 35-45 HRC.
Известно применение способа статико-импульсной обработки для поверхностно-пластического деформирования заготовок, восстановленных наплавкой [Ли Р.И. Технологии восстановления и упрочнения деталей автотракторной техники: учеб. пособие. // Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2014. - 379 с]. Однако при упрочнении не учитывалась температура упрочняемого материала, что снижает эффективность упрочняющего воздействия ППД.
Целью предложенного изобретения является уменьшение характерного размера зерен и фазовых элементов, повышение твердости и прочности наплавленного металлического материала.
Для достижения поставленной цели предложен способ наплавки металлического материала, при котором реализуется несколько этапов упрочнения статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации при различной температуре наплавленного материала: на первом этапе упрочнению подвергается наплавленный металлический материал, находящийся при температуре выше 200°С, но ниже температуры рекристаллизации, что способствует повышению его прочности и твердости однородно по всему наплавленному слою, а на втором этапе упрочнению подвергается ранее упрочненный наплавленный металлический материал, находящийся при температуре 100-200°С, что способствует повышению его твердости только на поверхности, т.е. повышение твердости имеет градиентный характер, а также возможен вариант, когда на третьем этапе упрочнению подвергается остывший наплавленный металлический материал, ранее упрочненный на первом и втором этапе, находящийся при температуре до 100°С, что позволяет дополнительно повысить значение твердости на поверхности наплавленного слоя, при этом для многослойной наплавки многоэтапное упрочнение статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации с различными температурами может осуществляться послойно или через нескольких слоев.
На фиг. 1 приведена схема осуществления заявленного способа наплавки с упрочнением волной деформации, где:
1 - боек;
2 - волновод;
3 - инструмент - стержневой ролик;
4 - металлическая подложка;
5 - наплавленный металлический материал;
6 - наплавленный металлический материал после упрочнения статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации;
7 - узел для наплавки;
8 - наплавляемая проволока.
Кроме того, на фиг. 1 условно показаны:
u
P - энергия ударных волн деформации,
f - частота ударов,
st
P - статическая сила предварительного поджатая волновода,
S - направление подачи инструмента - стержневого ролика и узла для наплавки.
Механизм волнового деформационного упрочнения статико-импульсной обработкой заключается в следующем. Для упрочнения используется генератор импульсов, обеспечивающий энергию и частоту ударов, основными элементами которого является боек 1 и волновод 2. При упрочнении боек 1 ударяет по волноводу 2 статически поджатому к наплавленному металлическому материалу 5, полученному узлом наплавки 7 на металлической подложке 4 (фиг. 1), в результате в ударной системе боек-волновод генерируются плоские акустические волны, которые характеризуются законом изменения сил (амплитудой волны деформации) во времени, максимальным значением сил, временем действия сил (длительностью волны деформации) и энергией волны деформации. Эти характеристики зависят от геометрии соударяющихся бойка 1 и волновода 2, свойств их материалов и скорости соударения. Период такой волны называют ударным импульсом. Форма ударного импульса, поступающего в очаг деформации, т.е. область контакта инструмента - стержневого ролика 3 с наплавленным металлическим материалом 5, будет определять эффективность динамического нагружения. Предварительное статическое поджатие волновода способствует наиболее полному использованию импульсной нагрузки для пластического деформирования упрочняемого материала. При упрочнении форма ударных импульсов максимально адаптируется к свойствам материала и условиям нагружения, что увеличивает КПД процесса, расширяет технологические возможности обработки, позволяя создавать глубокий упрочненный слой. Технология статико-импульсной обработки ударными волнами деформации позволяет достаточно точно регулировать равномерность упрочнения, создавая как равномерно, так и гетерогенно упрочненную структуру. Создание гетерогенного упрочнения, когда в поверхностном слое чередуются твердые и пластичные участки, позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики упрочненной поверхности.
Упрочнение статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации осуществляется при подаче инструмента - стержневого ролика 3 вдоль наплавленного металлического материала 5.
Для многослойной наплавки упрочнение статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации осуществляется послойно для одного или нескольких слоев.
Для уменьшение характерного размера зерен и фазовых элементов, повышение твердости и прочности наплавленного металлического материала реализуется несколько этапов упрочнения статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации при различной температуре наплавленного материала: на первом этапе упрочнению подвергается наплавленный металлический материал 5, находящийся при температуре выше 200°С, но ниже температуры рекристаллизации, что способствует повышению его прочности и твердости однородно по всему наплавленному слою, а на втором этапе упрочнению подвергается упрочненный на первом этапе наплавленный металлический материал 6, находящийся при температуре 100-200°С, что способствует повышению его твердости только на поверхности, т.е. повышение твердости имеет градиентный характер, а также возможен вариант, когда на третьем этапе упрочнению подвергается остывший наплавленный металлический материал, находящийся при температуре до 100°С, что позволяет дополнительно повысить значение твердости на поверхности наплавленного слоя.
Пример.
Упрочнению статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации подвергались плоские образцы из стали 40, на которые наплавлялся поверхностный слой из материала Stoody 111-G (Mn = 15,5%, С = 2,0%, Cr = 12,5%, остальное Fe, примеси не более 1,0%) в виде проволоки толщиной 1,6 мм, в два слоя. После наплавки наплавленный материал подвергался упрочнению статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации. Для упрочнения использовались стержневые ролики диаметром 10 мм и шириной 40 мм. Нагружение волной деформации осуществлялось с энергией 70 Дж, частотой ударов 10 Гц, при предварительном статическом поджатии волновода 20 кН.
В результате после упрочнения статико-импульсной обработкой на первом этапе в диапазоне температур 200…800°С градиент упрочнения отсутствовал, формировалась одинаковая структура и твердость наплавленного металлического материала по всей толщине наплавленного слоя составила 35…45 HRC (равномерное упрочнение). После упрочнения статико-импульсной обработкой на втором этапе (при 100…200°С) твердость на поверхности наплавленного слоя достигала 50…52 HRC и снижалась по глубине наплавленного слоя до 35…45 HRC (градиентное упрочнение).
Таким образом, с помощью осуществления заявленного способа наплавки с упрочнением металла волной деформации достигается технический результат по уменьшению характерного размера зерен и фазовых элементов, о чем и свидетельствует повышение твердости наплавленного металлического материала.
Источники информации, принятые во внимание
1. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. - М.:, Машиностроение, 1985, с. 49-51
2. Патент №2627837 РФ. Способ изготовления наплавленного биметаллического режущего инструмента. Бюлл. №23, 2017.
3. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.
4. Патент №2098259 РФ, МКИ В24В 39/00. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / А.Г. Лазуткин, А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев. Бюлл. №34, 1997.
5. Ли Р.И. Технологии восстановления и упрочнения деталей автотракторной техники: учеб. пособие. // Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2014. - 379 с.