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.
5
2
-5
-3
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 1-2·10А/см и длительностью 1-2·10с. 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 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.
-3
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 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.
-3
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 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.
отличающийся тем, что
5
2
-5
5
2
-5
-3
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, через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали пропускают импульсный электрический ток плотностью 1-2·10А/см и длительностью 1-2·10с 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 3-5·10А/см и длительностью 3-5·10с со скоростью перемещения пятна деформации 1-2·10 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<sup>-3</sup>
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/см<sup>2</sup>
Длительность разряда импульса тока при деформации первый разряд, с
Развиваемое усилие прижима ролика ППД, Н
Плотность тока при формировании пятна сварки второй разряд, А/см<sup>2</sup>
Длительность разряда импульса тока при формирования пятна сварки второй разряд, с
Скорость обкатки, м/мин
Продольная подача, мм/об
1
1·10<sup>5</sup>
2·10<sup>-5</sup>
5000
5·10<sup>5</sup>
3·10<sup>-5</sup>
2·10<sup>-3</sup>
0,02
2
1,5·10<sup>5</sup>
1,5·10<sup>-5</sup>
7500
4·10<sup>5</sup>
4·10<sup>-5</sup>
1,5·10<sup>-3</sup>
0,015
3
2·10<sup>5</sup>
1·10<sup>-5</sup>
10000
3·10<sup>5</sup>
5·10<sup>-5</sup>
1·10<sup>-3</sup>
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.