Способ повышения прочности детали с покрытием
METHOD FOR INCREASING THE STRENGTH OF A COATED PART

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам повышения прочности деталей с покрытиями из металлов и их сплавов.
-3
Аналогом изобретения является патент РФ № 2625508, способ повышения прочности детали с покрытием, включающий поверхностно-пластическое деформирование путем 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, длительностью импульса 0,08-0,2 с и с частотой импульсов 0,16-0,4 Гц, при этом поверхностно-пластическое деформирование осуществляют в радиальном направлении с силой прижима 50-3000 Н, со скоростью перемещения пятна деформации 50-100⋅10 м/с при продольной подачей 0,08-0,12 мм/об.
Недостатком данного способа является получение детали с низкими эксплуатационными свойствами, обусловленные появлением трещин и раковин вдоль границ раздела покрытие-подложка и между слоями покрытия в результате возникновения остаточных напряжений при сплавлении материала покрытия с материалом подложки. К недостаткам предложенного способа также относится невозможность его применения для повышения адгезионной прочности детали с покрытиями из металлов и их сплавов, что связанно с ограничением толщины покрытия и его разрушением при толщине менее 1 мм.
-3
Аналогом изобретения является патент РФ № 2625619, способ повышения прочности детали с покрытием, включающий поверхностно-пластическое деформирование путем обкатки деформирующим элементом 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 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 свойствами, обусловленные низкой адгезией между покрытием и подложкой. К недостаткам предложенного способа можно отнести невозможность его применения для повышения адгезионной прочности детали с покрытиями из металлов и их сплавов, что связано с ограничением толщины покрытия более 0,5 мм.
5
2
-5
-3
Также известен способ повышения прочности детали с покрытием (патент РФ № 2725786), включающий поверхностно-пластическое деформирование путем обкатки деформирующим элементом, с последующим упрочнением покрытия ультразвуковой обработкой упрочняющим элементом с одновременной обработкой путем пропускания 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⋅10 А/см и длительностью 1-2⋅10 с, с усилием 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 м/мин и продольной подаче 0,01-0,02 мм/об.
Недостатком данного способа является получение детали с низкими эксплуатационными характеристиками, что обусловлено низкой адгезионной прочностью между покрытием и подложкой. Недостатком данного способа также является получение неравномерного сварного шва по толщине, что связано с проскакиванием части импульса разряда тока через предыдущую сварную точку (так называемый эффект шунтирования), что снижает эффективность от пропускаемого импульса разряда тока для формирования следующего 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. Для решения данной проблемы может послужить повышение давления прижатия, с целью обеспечения более плотного сопряжения материалов покрытия-подложки по границе в месте, через которое будет пропускаться импульс разряда тока. Повышение величины силы прижатия, благодаря пластической деформации, может быть частично или полностью снижена пористость (поры). 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 поверхностью детали и покрытием, 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 путем обкатки деформирующим элементом, отличающийся тем, что дополнительно наносят промежуточный адгезионный слой между поверхностью детали и покрытием с последующей обработкой детали путем нагрева поверхности детали с покрытием токами высокой частоты до достижения температуры плавления по всей толщине промежуточного адгезионного слоя и выдержкой при данной температуре до полного оплавления промежуточного адгезионного слоя, а поверхностно-пластическое деформирование осуществляют после полного оплавления промежуточного адгезионного слоя в радиальном направлении при усилии прижима 3100-5000 Н со скоростью перемещения пятна деформации деформирующего элемента при продольной подаче, скорость которой равна скорости перемещения детали относительно индуктора, обеспечивающей обработку всей нагретой поверхности за время выдержки.
В качестве промежуточного адгезионного слоя покрытия используют легкоплавкие металлы и их сплавы, температура плавления которых ниже не менее чем на 100°С температуры плавления материалов поверхности детали и подложки.
Нанесения промежуточного адгезионного слоя между поверхностью детали и покрытием является известным технологическим приемом для повышения адгезионной прочности. Повышение адгезионной прочности обеспечивается тем, что в качестве промежуточного адгезионного слоя используется материал, схожий по атомному радиусу и типу формируемой кристаллической решетки с материалами подложки и покрытия детали. При этом материал промежуточного адгезионного слоя имеет хорошую растворимость (как в жидком, так и в твердом состоянии) с материалами подложки и покрытия детали, что обеспечивает повышение адгезионной прочности.
Использование в качестве промежуточного адгезионного слоя легкоплавких металлов и их сплавов, температура плавления которых ниже не менее чем на 100°С температуры плавления материалов поверхности детали и покрытия, за счет оплавления материала промежуточного адгезионного слоя в готовой детали с покрытием при сохранении твердофазного состояния материалов детали и покрытия, позволяет обеспечить значительное повышение значения адгезионной прочности. Такое оплавление материала для промежуточного адгезионного слоя обеспечивается за счет использования технологии поверхностного нагрева токами высокой частоты (ТВЧ), при этом глубина нагреваемого слоя может регулироваться режимами обработки ТВЧ, а температура, как режимами, так и временем выдержки. При нагреве и выдержке ТВЧ поверхности детали с покрытием промежуточный адгезионный слой достигает температуры плавления и находится в переходном состоянии от кристаллического к жидкому и постепенно переходит в жидкую фазу, при этом материалы покрытия и материал в прилегающем к покрытию поверхностном слое детали достигают температур близких по значению к температуре плавления, в результате чего происходит процесс образования ими взаимной связи с взаимной растворимостью элементов и их взаимопроникновению. В свою очередь, материал промежуточного адгезионного слоя, благодаря нахождению в жидком состоянии, обеспечивает полную заполняемость границы раздела и неровностей поверхности между поверхностью детали и покрытием, а также заполняя поры, находящиеся вдоль границы раздела. Это приводит к повышению адгезионной прочности как химической ее части за счет обеспечения взаимной растворимости материалов поверхности детали и покрытия, а также промежуточного адгезионного слоя между ними, и механической - за счет заполнения всех пор и неровностей вдоль границы раздела покрытие-подложка материалом промежуточного адгезионного слоя в жидком состоянии.
Проведение поверхностно-пластического деформирования после полного оплавления промежуточного адгезионного слоя, путем обкатки деформирующим элементом, в радиальном направлении с силой прижима 3100-5000 Н со скоростью перемещения пятна деформации деформирующего элемента при продольной подаче, скорость которой равна скорости перемещения детали относительно индуктора, обеспечивающей обработку всей нагретой поверхности за время выдержки, позволяет избежать образования возможных раковин и пор в результате кристаллизации материала промежуточного адгезионного слоя, как в самом слое, так и на границах взаимодействия с поверхностью детали и покрытием.
Совокупность предложенных технологических приемов позволяет избежать возникновения больших по значению остаточных напряжений, так как при определенных режимах проведения поверхностно-пластического деформирования будут происходить релаксационные процессы, а в случае необходимости также за счет предложенных технологических приемов при поверхностно-пластическом деформировании можно обеспечить поверхностный наклеп. Проведение поверхностно-пластического деформирования при высокой температуре позволяет увеличить плотность покрытия и уменьшить пористость, а также создает дополнительные условия для взаимной диффузии между непровзаимодействовавшими напыленными частицами покрытия, что в совокупности с вышеперечисленным повышает когезию слоев покрытия.
При этом предлагаемый способ повышения прочности детали с покрытием имитирует процесс сварки/наплавки и, как и предлагаемые способы с использованием приемов контактной сварки, повышает адгезионную прочность, приближая ее к значениям металлургическим (значениям сварного шва). Однако, в отличие от существующих приемов, обеспечивает равномерную толщину оплавленного слоя по всей границе раздела подложка-покрытие, что позволяет избежать всех факторов для появления остаточных напряжений, появления трещин и др., а также гарантирует получение равномерного по толщине по всей границе раздела покрытие-подложка оплавленного слоя. Причем толщину оплавленного слоя можно точно контролировать, что позволяет полностью прогнозировать все процессы и задавать необходимую толщину промежуточного адгезионного слоя, избегая возможных неточностей, связанных с неконтролируемыми или непрогнозируемыми (случайными) факторами, влияющими на процесс. Обеспечение контроля с высокой точностью получаемых на выходе слоев необходимой толщины позволяет более точно прогнозировать эксплуатационные характеристики на выходе готовой детали с покрытием, что с точки зрения технологии и конструирования имеет большое практическое значение.
Таким образом, совокупность предложенных приемов позволяет достичь поставленного технического результата.
Предлагаемый способ повышения прочности детали с покрытием подтверждается конкретным примером.
Пример
На специальные цилиндрические стальные образцы (Сталь 45) диаметром 10 мм было нанесено покрытие из FeMnNiAl методом высокоскоростного газопламенного напыления толщиной 0,8 мм, предварительно образцы были обезжирены. После чего образцы подвергли ультразвуковой обработки упрочняющим элементом с одновременным пропусканием через упрочняющий элемент в зону обработки к поверхности покрытия высокочастотных импульсных разрядов тока. 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.
На трех других специальных цилиндрических стальных образцах (Сталь 45) диаметром 10 мм было нанесено композитное покрытие слоистого типа, состоящее из адгезионного слоя, представляющего собой припой, состава CuMnCo толщиной 0,2 мм функционального слоя из FeMnNiAl толщиной 0,8 мм методом высокоскоростного газопламенного напыления, предварительно образцы были обезжирены. После чего образцы подвергли обработке токами высокой частоты до обеспечения температуры плавления промежуточного адгезионного слоя, представляющего собой припой, состава CuMnCo на глубину нанесенного композитного покрытия слоистого типа 1 мм, с обеспечением времени выдержки до полного оплавления промежуточного адгезионного слоя, с последующим поверхностно-пластическим деформированием путем обкатки деформирующим элементом, со скоростью перемещения пятна деформации деформирующего элемента при продольной подаче, скорость которой равна скорости перемещения детали относительно индуктора, обеспечивающей обработку всей нагретой поверхности за время выдержки. После чего эти образцы 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
Частота колебаний наконечника для УПУ, кГц
Сила прижима наконечника для УПУ, Н
Продольная подача, мм/об
Амплитуда колебаний, мкм
Частота импульсных разрядов тока, кГц
Длительность разряда импульса тока, с
Плотность тока, А/см<sup>2</sup>
1
3000
1⋅10<sup>-3</sup>
24
2000
0,02
20
24
1⋅10<sup>-5</sup>
2⋅10<sup>5</sup>
Таблица 2 - Параметры обработки образцов с покрытием по заявляемому способу
№
Сила прижима ролика ППД, Н
Частота тока, кГц
Время нагрева, с
Удельная мощность,кВт/см<sup>2</sup>
1
3500
10
2,4
1,75
2
4500
10
2,4
1,75
3
5500
10
2,4
1,75
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, %
0,2
0,15
0,1
0,1
Адгезионная прочность, МПа
135
139
147
151
Когезионная прочность, МПа
155
157
163
167
Предложенный способ повышения прочности детали с покрытием обеспечивает повышение физико-механических свойств детали за счет повышения адгезионной прочности между поверхностью детали и покрытием, снижения остаточных напряжений и дефектов вдаль границ раздела покрытие-подложка, повышения когезионной прочности.