Способ получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника Российский патент 2023 года по МПК C23C4/126 C23C4/08 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам получения покрытя из металлов и их сплавов на внутренней поверхности полых деталей электрическим взрывом проводника, и может быть использовано для улучшения физико-механических свойств внутренних поверхностей, а также для восстановления изношенных деталей.

Аналогом изобретения является патент SU № 1707085 (публ. 23.01.1992) способ нанесения покрытий взрывом проводника, включающий подачу проводника в межэлектродное пространство, пропускание импульса тока через проводник, взрыв проводника и нанесение продуктов взрыва проводника на подложку, при этом с целью повышения производительности и повышения качества покрытия, проводник выполняют полым.

Недостатком данного способа является получение детали с низкими эксплуатационными характеристиками, что обусловлено низкой адгезионной прочностью между покрытием и внутренней поверхностю полой детали.

Прототипом изобретения является патент US № 3639150А (публ. 01.02.1972) электровзрывное напыление металла на подложку, включающий подачу проводника в межэлектродное пространство, пропускание импульса тока через проводник, взрыв проводника и нанесение продуктов взрыва проводника на подложку, при этом оптимальные условия использования энергии ударной волны, генерируемой взрывом расходуемого проводника в окружающей атмосфере или газа, определяются по формулам:

S_opt=(K₁/1000)×CVf^2/3;

l_opt=K₂×V×f^(-2/3),

где:

K₁ - постоянная материала (±20 процентов);

K₂ - является постоянной (±30 процентов);

S_opt - оптимальная площадь поперечного сечения проводника (мм²);

C - ёмкость конденсатора (Фарад);

V - напряжение зарядки (Вольт);

f - резонансная частота цепи (c./sec., кол/сек.);

l_opt - оптимальная длина провода (мм.).

Недостатком данного способа является получение детали с низкими эксплуатационными характеристиками, что обусловлено низкой адгезионной прочностью между покрытием и внутренней поверхностю полой детали.

Задачей изобретения является усовершенствование способа получения покрытия на внутренней поверхности полых деталей электрическим взрывом проводника, позволяющее обеспечить повышение физико-механических свойств детали с покрытием.

Техническим результатом изобретения является повышение адгезионной прочности между покрытием и внутренней поверхностью полой детали.

Технический результат достигается тем, что способ получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника, включающий осуществление электрического взрыва проводника с нанесением продуктов электрического взрыва проводника в виде слоя получаемого покрытия на внутреннюю поверхность полой детали, при этом перед нанесением слоя получаемого покрытия проводят ультразвуковую обработку внутренней поверхности полой детали наконечником волновода через абразивную суспензию, содержащую абразивные частицы по твердости не менее чем на 1 единицу выше по шкале Мооса, чем твердость материала поверхности обрабатываемой внутренней поверхности полой детали, при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 20-60 мкм и линейной скорости перемещения наконечника волновода 0,5·10^-3-1·10^-3 м/мин, с последующими обезжириванием и травлением внутренней поверхности обрабатываемой полой детали, а после нанесения слоя получаемого покрытия посредством упомянутого электрического взрыва проводника проводят последующую обработку упомянутого слоя поверхностно-пластическим деформированием путём обкатки деформирующим элементом при усилии прижима деформирующего элемента 600-800 Н и скорости перемещения деформирующего элемента 0,5·10^-3-1·10^-3 м/мин, при этом поверхностно-пластическое деформирование осуществляют с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой внутренней поверхностью полой детали импульсного электрического тока плотностью 1·10⁵-3·10⁵ А/см² и длительностью 1·10^-5-2·10^-5 с.

Одним из важных критериев получаемых на поверхности изделий покрытий являются адгезия и когезия, значение которых отражается на физико-механических характеристиках получаемого изделия с покрытием. Аналогично дело обстоит и для формирования слоистого типа композитного покрытия. В таком случае помимо адгезии между покрытием и внутренней поверхностью полой детали на физико-механические характеристики влияет и межслойная адгезия.

Сложность нанесения покрытий на внутреннюю поверхность полой детали малого размера ограничивает применение большинства существующих методов нанесения покрытий. В этих условиях наиболее оптимальным является метод нанесения покрытий посредством электрического взрыва проводника. Однако в большинстве случаев получаемая адгезия не удовлетворяет требованиям современных условий эксплуатации, что ограничивает возможную область применения данного способа для формирования на внутренней поверхности полой детали покрытий.

При этом адгезия состоит из химической адгезии, обеспечиваемой взаимодействием частиц материалов покрытия и внутренней поверхностью полой детали путем взаимного проникновения, формирования общей кристаллической решетки и образования химических связей, и механической, обеспечиваемой за счет сцепления напыляемых частиц с рельефной поверхности деталей, получаемых на поверхности детали после различных видов обработки. Таким образом, проводимый комплекс технологических операций по обработке внутренней поверхности полой детали перед и после напыления, позволяет в комплексе повысить как химическую, так и механическую составляющие адгезии.

Из-за особенностей отверстий малого диаметра большинство существующих методов обработки внутренней поверхности перед напылением не позволяют проводить данный вид обработки, а те, которые позволяют – не обеспечивают требуемую шероховатость и тип рельефа внутренней поверхности полой детали перед напылением. Так, формирование рельефа с использованием технологии ультразвуковой обработки поверхности полой детали наконечником волновода через абразивную суспензию, содержащую абразивные частицы по твердости не менее чем на 1 единицу выше по шкале Мооса, чем твердость материала поверхности обрабатываемой полой детали, при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 20-60 мкм, линейной скорости перемещения наконечника волновода 0,5·10^-3-1·10^-3 м/мин. позволяет обеспечить шероховатость и рельеф поверхности, обеспечивающие увеличение механической составляющей адгезии, так как получаемая поверхность имеет большую контактную реакционную площадь и аналогична поверхности после дробеструйной обработки. Такой вид обработки также способствует повышению химической составляющей, так как происходит интенсивная поверхностная деформация, в ходе которой происходит наклеп поверхности, в результате чего повышается плотность дислокаций и вакантных мест поверхностного слоя, которые могут быть заняты атомами напыляемого покрытия в результате диффузии в тело детали. Также в результате интенсивной деформации при ультразвуковой обработке происходит механоактивация поверхности, в результате которой повышается реакционная способность поверхностного слоя, а также в результате сообщения энергии атомы переходят в возбужденное состояние, что в совокупности обеспечивает возможную диффузию атомов поверхностного слоя материала в покрытие, а также повышение интенсивности образования химической связи. Таким образом, предварительная ультразвуковая обработка поверхности полой детали наконечником волновода через абразивную суспензию позволяет повысить адгезию формируемого покрытия с внутренней поверхностью полой детали.

Обезжиривание и травление обеспечивают удаление жиров и оксидной пленки с поверхности, на которой происходит напыление, а также позволяет удалить с поверхности нерастворимые примеси в межзерновом пространстве, обеспечивая полноту и плотность сопряжения напыляемых частиц с зернами внутренней поверхности полой детали при обволакивании, что обеспечивает повышение адгезии, увеличивая площадь реакционной поверхности.

После нанесения слоя формируемого покрытия от взрыва проводника проводят поверхностно-пластическое деформирование, осуществляемое с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока при усилии прижима деформирующим элементом 600-800 Н, плотностью 1·10⁵-3·10⁵А/см² и длительностью 1·10^-5-2·10^-5с со скоростью перемещения наконечника волновода 0,5·10^-3-1·10^-3 м/мин, таким образом поверхностно-пластическая деформация обеспечивает значительное снижение пористости покрытия и повышению когезионной прочности, а также обеспечивает необходимую плотность и площадь сопряжения на границе раздела покрытие-внутренняя поверхностью полой детали в месте деформирования соответствующим элементом при необходимом значении усилия прижима. Таким образом, создают условия для проскакивания разряда импульса тока через данную точку от поверхности покрытия в тело полой детали, так как именно в данной точке имеется меньшее сопротивление для проскакивания разряда импульса тока. В результате пропускания, через деформированную зону разряда импульса тока, проходящего через слои покрытия и от покрытия к внутренней поверхностью полой детали, на границе раздела между покрытием приводит к локальному нагреву по траектории проскакивания разряда импульса тока, как в теле покрытия из-за наличия границы раздела между нанесенными частицами формируемого слоя покрытия, так и на границе раздела покрытие-внутренняя поверхностью полой детали плавления из-за разности электросопротивлений материалов внутренней поверхностью полой детали и покрытия. Так в результате проскакиваемый разряд локально нагревает до температуры близкой к температуре плавлению материалов покрытия и внутренней поверхностью полой детали и резкому охлаждению за счет быстрого отвода тепла в объем тела как покрытия так и подожки. При этом многократно проскакиваемые разряды импульсов тока за короткий промежуток времени приводят к многократному нагреву и охлаждению имитируя термоциклическую обработку и побуждая к интенсификации процесса взаимного диффузионного массопереноса атомов нанесенного слоя покрытия после электрического взрыва проводника и внутренней поверхности полой детали, сопровождающегося занятием вакансий и линейных дефектов, взаимопроникновением атомов вглубь материала. При этом атомы покрытия в результате энергетического воздействия при проскакивании разряда импульсного тока также переходят в возбужденное состояние, что повышает их активность и интенсифицирует процесс взаимной диффузии, что обеспечивает повышение химической составляющей адгезии, а также обеспечивает плотность прилегания покрытия к внутренней поверхности полой детали. Таким образом, последующая обработка поверхностно-пластическим деформированием осуществляющую с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока после нанесения слоя от взрыва проводника позволяет обеспечить значительное повышение адгезии покрытия с материалом внутренней поверхности полой детали.

Таким образом, совокупность предложенных приемов позволяет достичь поставленного технического результата.

Предлагаемый способ повышения прочности детали с покрытием подтверждается конкретным примером.

Пример.

На специальный цилиндрический полый стальной образец (Сталь 45) диаметром 10 мм со сквозным отверстием 8 мм было нанесено покрытие посредством электрического взрыва проволоки Mo₇₀W₃₀ толщиной 250 мкм. При этом предварительно образцы были обезжирены. После чего эти образцы были подвергнуты испытаниям на адгезионную прочность методом сдвига. Результаты испытаний образца, обработанного по известному способу, представлены в табл. 2.

Другие три образца перед и после напыления были подвергнуты ультразвуковой обработке внутренней поверхности наконечником волновода через абразивную суспензию, содержащую абразивные частицы корунда (Al₂O₃), с последующими обезжириванием и травлением обрабатываемой внутренней поверхности полой детали, а после нанесения слоя формируемого покрытия от взрыва проводника проводится последующая поверхностно-пластическое деформирование осуществляют с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью детали импульсного электрического тока, обеспечивая интенсификацию процесса диффузионного массопереноса через границу раздела покрытие-внутренняя поверхностью полой детали. После чего эти образцы были подвергнуты испытаниям на адгезионную прочность методом сдвига.

Параметры обработки образцов с покрытием по заявляемому способу представлены в табл. 1. Результаты испытаний образцов, обработанных по заявляемому и известному способам, представлены в табл. 2.

Таблица 1 – Параметры обработки образцов с покрытием по заявляемому способу

Параметры образца Значение параметра Образец 1 Образец 2 Образец 3 Частота колебаний наконечника волновода перед напылением, кГц 25 25,5 26 Амплитуда колебаний наконечника волновода перед напылением, мкм 20 40 60 Скорость перемещения наконечника волновода перед напылением, м/мин 0,5·10^-3 0,75·10^-3 1·10^-3 Усилие прижима деформирующего элемента финишной обработки, Н 600 700 800 Плотность тока разряда импульса тока финишной обработки, А/см² 1·10^-5 2·10^-5 3·10^-5 Линейная скорость деформирующего элемента финишной обработки , м/мин 0,5·10^-3 0,75·10^-3 1·10^-3

Таблица 2 – 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, % 0,42 0,38 0,35 0,33 Адгезионная прочность, МПа 53,8 61,5 64,3 67,7

Таким образом, из приведенных примеров следует, что предложенный способ получения покрытия на внутренней поверхности полых деталей электрическим взрывом проводника обеспечивает повышение физико-механических свойств детали за счет повышения адгезионной прочности между покрытием и внутренней поверхностью полой детали на 15-20 % в сравнении с аналогом и снижение пористости покрытия на 7-18 % как в покрытии, так и вдоль границы раздела покрытия-внутренняя поверхностью полой детали и, как следствие, повышению когезионной прочности, то есть задача создания изобретения выполняется.

Изобретение относится к способу получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника. Проводят ультразвуковую обработку внутренней поверхности полой детали наконечником волновода через абразивную суспензию при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 20-60 мкм и линейной скорости перемещения наконечника волновода 0,5⋅10^-3-1⋅10^-3 м/мин, с последующими обезжириванием и травлением внутренней поверхности обрабатываемой полой детали. Осуществляют электрический взрыва проводника с нанесением продуктов электрического взрыва проводника в виде слоя получаемого покрытия на внутреннюю поверхность полой детали. Проводят последующую обработку упомянутого слоя поверхностно-пластическим деформированием путём обкатки деформирующим элементом с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой внутренней поверхностью полой детали импульсного электрического тока плотностью 1⋅10⁵-3⋅10⁵ А/см² и длительностью 1⋅10^-5-2⋅10^-5 с. Обеспечивается повышение адгезионной прочности между покрытием и внутренней поверхностью полой детали. 2 табл., 1 пр.

Способ получения покрытия на внутренней поверхности полой детали с использованием электрического взрыва проводника, включающий осуществление электрического взрыва проводника с нанесением продуктов электрического взрыва проводника в виде слоя получаемого покрытия на внутреннюю поверхность полой детали, отличающийся тем, что перед нанесением слоя получаемого покрытия проводят ультразвуковую обработку внутренней поверхности полой детали наконечником волновода через абразивную суспензию, содержащую абразивные частицы по твердости не менее чем на 1 единицу выше по шкале Мооса, чем твердость материала поверхности обрабатываемой внутренней поверхности полой детали, при частоте колебаний 25-26 кГц, амплитуде 20-60 мкм и линейной скорости перемещения наконечника волновода 0,5⋅10^-3-1⋅10^-3 м/мин, с последующими обезжириванием и травлением внутренней поверхности обрабатываемой полой детали, а после нанесения слоя получаемого покрытия посредством упомянутого электрического взрыва проводника проводят последующую обработку упомянутого слоя поверхностно-пластическим деформированием путём обкатки деформирующим элементом при усилии прижима деформирующего элемента 600-800 Н и скорости перемещения деформирующего элемента 0,5⋅10^-3-1⋅10^-3 м/мин, при этом поверхностно-пластическое деформирование осуществляют с одновременным пропусканием через зону контакта деформирующего элемента с обрабатываемой внутренней поверхностью полой детали импульсного электрического тока плотностью 1⋅10⁵-3⋅10⁵ А/см² и длительностью 1⋅10^-5-2⋅10^-5 с.