Способ получения композиционных материалов из несмешивающихся компонентов на основе технологии сварки трением с перемешиванием Российский патент 2024 года по МПК B23K20/12 C22C1/04 C22C30/00 C22C21/00 

Область техники

Изобретение относится к области сварочного производства, в частности к способам сварки трением с перемешиванием сплавом на основе алюминия и меди, и может быть использовано для получения композиционных материалов на основе несмешивающихся компонентов.

Уровень техники

Известен способ сварки металлов трением для соединения «в стык» листовых деталей, по которому вращающийся инструмент, выполненный в виде стержня с напаянным наконечником, погружают в стык соединяемых деталей и перемещают его вдоль линии стыка, перенося нагретый ротационным трением материал в зону, освобождаемую сзади движущегося инструмента. При этом при достижении пластичности материалов в зоне стыка к инструменту прикладывают осевое усилие [А.С. СССР №195846, МПК В23К, 1967 г.].

Данный способ сварки трением с перемешиванием не позволяет получать в зоне шва композиционный материал на основе несмешивающихся компонентов, таких, например, как алюминий и свинец.

Известен способ сварки трением с перемешиванием листовых деталей, одна из которых выполнена из более тугоплавкого, а другая - из более легкоплавкого металла, включающий обработку торцов свариваемых деталей, их состыковку и воздействие на стык свариваемых деталей вращающимся инструментом с образованием сварного соединения, отличающийся тем, что обработку производят путем выполнения на торце листовой детали из более тугоплавкого металла выступа в виде шипа, а на торце листовой детали из менее тугоплавкого металла - паза, при этом воздействие упомянутого инструмента осуществляют путем введения штыря инструмента по срединной линии шипа при вращении инструмента против часовой стрелки [патент RU2777096 C1 МПК В23К 20/12, 29.06.2021].

Данный способ позволяет повысить механические свойства стыковых соединений таких металлов как алюминий и медь, но не позволяет получить композиционный материал из несмешивающихся компонентов в зоне перемешивания при соединении таких материалов как алюминий и свинец.

Наиболее близким к по технической сущности к заявляемому способу является, выбранный в качестве прототипа, способ фрикционной обработки поверхности алюминиевых сплавов, включающий предварительное выполнение глухого паза в матрице, в который засыпали порошок карбида кремния SiC, после чего в паз вводили вращающийся рабочий инструмент с заплечиком и пином, после чего инструмент перемещали вдоль паза с воздействием на пластифицированную зону давлением, приложенным перпендикулярно поверхности матрицы с помощью опорной поверхности инструмента [Малышев В.Н., Корепин К.А. Упрочнение рабочих поверхностей обработкой трением с перемешиванием. /Вестник УГАТУ. 2019. - Т.23. - №4 (86). - С.26-32.].

Прототип решает задачу упрочнения рабочей поверхности детали из алюминиевого сплава Д16Т за счет введения в зону перемешивания частиц карбида кремния. В тоже время следует отметить, что применение упомянутого в прототипе способа возможно при температуре плавления упрочняющих частиц, превышающих температуру плавления материала матрицы. В случае использования данного способа для получения композиционных материалов на основе несмешивающихся компонентов с температурой вводимого компонента меньше температуры плавления материала матрицы наблюдается неравномерное распределение вводимого компонента в зоне перемешивания.

В результате в пределах зоны перемешивания формируются протяженные расплавленные зоны вводимого компонента с меньшей температурой плавления, а также образуются пустоты при кристаллизации указанных зон. Формирование таких дефектов также подтверждается фотографиями, приведенными на рисунке 3 на странице 29 прототипа.

Поэтому известные решения не позволяют получать композиционный материал на основе несмешивающихся компонентов, а также регулировать объемную долю вводимого компонента в матрицу композиционного материала.

Раскрытие сущности изобретения.

Задачей изобретения является создание такого способа получения композиционных материалов из несмешивающихся компонентов на основе технологии сварки трением с перемешиванием, который бы обеспечил равномерное распределение вводимого компонента по зоне перемешивания с формированием мелкодисперсных глобулей. Кроме того, заявляемый способ должен обеспечивать возможность регулирования объемной доли вводимого компонента в композиционном материале на основе несмешивающихся компонентов.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, заключаются в выполнении в матрице глухого паза, в осуществлении обработки с помощью введения в паз инструмента, содержащего опорный заплечик и соосно расположенный пин из материала более твердого, чем материал матрицы композиционного материала, и вращающегося вокруг оси, и перемещаемого вдоль паза с воздействием на пластифицированную зону давлением, которое прикладывают перпендикулярно поверхности матрицы с помощью опорной поверхности заплечика инструмента.

Признаки заявляемого технического решения, отличные от прототипа: паз выполняют на глубину не более 0,75 длины пина инструмента при ширине не более его диаметра, после чего паз заполняют легирующим компонентом в виде порошка с температурой плавления ниже температуры плавления материала матрицы, при этом инструмент погружают в паз на всю длину его пина при соотношении частоты вращения инструмента к величине продольной подачи в диапазоне 9,5-11,4 об/мм, причем угол наклона инструмента составляет 2-4° к направлению подачи.

Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечивают равномерное распределение вводимого компонента по зоне перемешивания с формированием мелкодисперсных глобулей и возможность регулирования объемной доли вводимого компонента в композиционном материале на основе несмешивающихся компонентов. Также важно, что отмеченная совокупность отличительных и известных признаков обеспечивает отсутствие в зоне перемешивания внутренних дефектов в виде несплавлений.

Краткое описание чертежей, иных графических материалов.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами:

- на фиг. 1 представлена схема выполнения паза в алюминиевой матрице;

- на фиг. 2 - представлена схема реализации заявляемого способа;

- на фиг. 3 - приведена микроструктура зоны перемешивания с глобулями из свинца, равномерно распределенные в алюминии;

- на фиг. 4 - показана схема реализации способа с предварительным проходом для закрытия паза, заполненного порошком свинца;

- на фиг. 5 - показан микрошлиф зоны перемешивания.

Осуществление изобретения.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед процессом фрикционной обработки в матрице 1 из алюминиевого сплава толщиной δ= 6 мм выполняют паз 2 (фиг. 1) шириной Δ не более диаметра d пина рабочего инструмента и глубиной h не более 0,75 от длины пина рабочего инструмента. Затем паз 2 заполняют порошком металлического свинца с температурой плавления 327 °С при температуре плавления алюминиевой матрицы 660 °С.

В качестве рабочего инструмента был выбран инструмент из быстрорежущей стали Р18 с пином следующих размеров: длина пина 5,8 мм, диаметр у основания пина 6 мм, у вершины пина - 4 мм, с заплечиком диаметром 16 мм. На поверхности пина была выполнена резьбовая канавка шириной 0,8 мм и глубиной 0,4 мм.

Образцы размещались на жесткой подложке из нержавеющей стали. Крепление образцов выполняется с помощью разработанной технологической оснастки (чертежи не представлены). Расстояние между прижимами составляет 95…100 мм, что обеспечивает жесткость закрепления образцов матрицы.

Затем в паз 2 в алюминиевой матрице 1, заполненный порошком металлического свинца, погружают вращающийся рабочий инструмент 3 на всю длину пина и с внедрением в материал алюминиевой матрицы заплечника на 0,1-0,15 мм. Затем вращающемуся рабочему инструменту сообщают продольное перемещение вдоль заполненного порошком свинца паза 2 (фиг. 2). В процессе фрикционной обработки матрицы инструменту придается вращение со скоростью ω и продольное перемещение с линейной скоростью v_св. Соотношение ω/v_св задается из диапазона 9,5-11,4 об/мм. При этом угол инструмента составляет 2-4°. в направлении фрикционной обработки. За рабочим инструментом 3 формируется зона перемешивания, которая представляет собой композиционный материал на основе несмешивающихся компонентов системы Al-Pb.

Сущность способа заключается в следующем: для фрикционной обработки используют рабочий инструмент с пином, выполненным длиной l 5,5…5,8 мм, конструкция которого выбрана в виде конической поверхности и сферической поверхности на торце пина, исходя из соотношения, что радиус сферической торцевой поверхности соответствует 0,6-0,7 от диаметра пина на рабочем торце и опорным заплечиком диаметром 16…20 мм.

До введения пина в заполненный паз 2 в алюминиевой матрице производят закрепление матрицы толщиной 6 мм, с помощью технологической оснастки для выполнения в дальнейшем фрикционной обработки на вертикально-фрезерном станке. В качестве подложки, на которой располагается алюминиевая матрица, выбрана пластина из стали 12Х18Н10Т с более низким коэффициентом теплопроводности, чем у материала свариваемых деталей, что обеспечивает концентрацию тепла в зоне обработки и получение размягченного слоя за счет уменьшения потерь тепловой энергии.

Производят погружение инструмента в паз в материале алюминиевой матрицы на требуемую глубину и выполняют фрикционную обработку с продольной подачей инструмента 70-100 мм/мин и скоростью вращения рабочего инструмента 665-1140 об/мин, при этом угол инструмента составляет 2-4° в направлении фрикционной обработки. Можно отметить, что приведенные выше значения основных параметров фрикционной обработки (скорость вращения рабочего инструмента и скорость его линейного перемещения) связаны соотношением 9,5-11,4 об/мм.

В результате трения происходит нагрев металла матрицы и порошка свинца вплоть до пластического состояния, перемешивание его вращающимся инструментом и вытеснение в освобождающееся пространство позади движущегося по линии стыка инструмента. Объем, в котором формируется шов, ограничивается сверху опорным заплечиком инструмента. По окончании фрикционной обработки вращающийся инструмент выводят за пределы материала заготовки.

Основной функцией опорного заплечика является создание требуемого тепловыделения в зоне соединения деталей за счет его трения о поверхности алюминиевой матрицы при приложении к инструменту давления. Давление опорного заплечика инструмента в зоне паза в материале матрицы вызывает пластическую деформацию и течение пластифицированного металла, перемешиваемого профилированным пином.

Применение режимов фрикционной обработки, которые характеризуются соотношением скорости вращения рабочего инструмента к его линейной скорости перемещения вдоль паза в матрице в диапазоне 9,5-11,4 об/мм обеспечивает нагрев материала в зоне перемешивания до температуры в диапазоне 350-465 °С. В указанном диапазоне температур происходит расплавление частичек порошка свинца и их расположение между мелкими зернами алюминиевой матрице, как это показано на фиг. 3.

Качество материала зоны перемешивания существенно зависит от параметров режима фрикционной обработки алюминиевой матрицы, что иллюстрируется данными таблицы 1. Именно они определяют не только количество и тип возможных дефектов при их неправильном выборе, но и полученную структуру и выходящие из нее свойства формируемого композиционного материала.

Таблица 1

Влияние параметров режима фрикционной обработки на качество металла зоны перемешивания

№ п/п Скорость вращения рабочего инструмента ω, об/мин Линейная скорость перемещения инструмента v_св, мм/мин Соотношение скоростей ω/v_св, об/мм Характеристика формирования зоны перемешивания 1 600 70 8,57 Формирование несплавления в зоне перемешивания и неполное заполнение паза материалом алюминиевой матрицы 2 665 70 9,5 Отсутствие дефектов в металле зоны перемешивания и полное заполнение паза материалом матрицы с формированием равномерно распределенных мелких глобулей свинца 3 735 70 10,5 4 798 70 11,4 5 840 70 12,0 Формирование крупных глобулей свинца в материале зоне перемешивания с неравномерным их распределением 6 857 100 8,57 Формирование несплавления в зоне перемешивания и неполное заполнение паза материалом алюминиевой матрицы 7 950 100 9,5 Отсутствие дефектов в металле зоны перемешивания и полное заполнение паза материалом матрицы с формированием равномерно распределенных мелких глобулей свинца 8 1050 100 10,5 9 1140 100 11,4 10 1200 100 12,0 Формирование несплавления в зоне перемешивания и неполное заполнение паза материалом алюминиевой матрицы

Формирование металла зоны перемешивания также зависит от угла наклона рабочего инструмента. При угле наклона инструмента менее 2° передняя кромка заплечика рабочего инструмента срезает с поверхности алюминиевой матрицы слой материала толщиной до 0,3 мм. При этом существенно возрастает усилие, с которым обрабатываемый материал воздействует на рабочий инструмент.

Увеличение угла наклона рабочего инструмента свыше 4° приводит к росту изгибающей нагрузки на стержень (пин) рабочего инструмента. В результате этого возрастает частота механической поломки рабочего инструмента.

Помимо основных параметров режима фрикционной обработки, таких как скорость вращения рабочего инструмента и скорость линейного перемещения инструмента вдоль паза, на формирование структуры и состава металла в зоне перемешивания, т.е. на структуру и состав композиционного материала большое влияние оказывает размер паза и соотношение его размера с диаметром и длиной пина рабочего инструмента.

Глубина паза оказывает существенное влияние на структуру металла в зоне перемешивания, на содержание и размер глобулей свинца.

В том случае, если паз выполняют шириной, превышающей диаметр пина рабочего инструмента, то при фрикционной обработке по границе зоны перемешивания будет наблюдаться прослойка, состоящая из практически только из свинца, что в целом снижает механические и антифрикционные свойства получаемого композиционного материала.

Глубина паза h (фиг. 1) в большей степени оказывает влияние на содержание свинца и размер его глобулей в композиционном материале. Так при глубине паза более 0,75 длины пина рабочего инструмента наблюдается формирование композиционного материала с содержанием свинца более 50%, что негативно отражается на антифрикционных свойствах композиционного материала, и в частности, на значении коэффициента трения. Наблюдается увеличение коэффициента трения с 0,15 (для материала с содержанием свинца 22-2%) до 0,28 при содержании свинца 50%.

При этом размеры паза шириной не более диаметра пина рабочего инструмента и глубиной не более 0,75 от его длины обеспечивают получение при фрикционной обработке композиционного материала системы Al-Pb с содержанием свинца на уровне 1-44% при образовании прослоек свинца по границам зерен алюминия. Кроме того, при глубине паза более 0,75 от длины пина рабочего инструмента существенно повышается опасность вытекания свинца с корневой стороны зоны перемешивания под действием сил гравитации.

Для устранения опасности вытеснения свинца на лицевую поверхность металла зоны перемешивания с расслоением его структуры было предложено осуществлять процесс в два этапа. На первом этапе осуществляется закрывание паза 2 металлом алюминиевой матрицы 2 за счет прохода инструментом 3 без пина на режиме со соотношением частоты вращения инструмента к величине продольной подачи в диапазоне 5,7-7,5 об/мм при угле наклона инструмента 1,0-1,5° к направлению подачи (фиг. 1).

После первого прохода осуществляют второй проход в соответствии с п. 1 формулы (фиг.4). При этом закрывающий шов 4 и паз 2, который он закрывает, с помощью инструмента 5 с пином обрабатывается на всю глубину паза с формированием зоны перемешивания 6 со структурой, приведенной на фиг.3.

Значения соотношения частоты вращения инструмента к величине продольной подачи в диапазоне 5,7-7,5 об/мм обеспечивают получение закрывающего валика без дефектов в виде несплавлений и формирования грата по периферии зоны перемешивания. При использовании соотношения частоты вращения инструмента к величине продольной подачи беспинового инструмента менее 5,7 об/мм наблюдается образование отдельных несплавлений в металле зоны перемешивания закрывающего валика. При выполнении фрикционной обработки на соотношении частоты вращения инструмента к величине продольной подачи беспинового инструмента более 7,5 об/мм по границе зоны перемешивания из-за интенсивного перегрева формируется грат, что вызывает уменьшение толщины слоя металла матрицы, закрывающего паз с порошком свинца, и требует зачистки поверхности алюминиевой матрицы перед выполнением второго прохода (фиг. 5).

Следует отметить, что проход для закрытия паза выполняют при угле наклона инструмента 1,0-1,5° к направлению подачи. В случае угла наклона менее 1,0° наблюдается наплыв обрабатываемого материала алюминиевой матрицы и свинца на переднюю кромку заплечика инструмента. При угле наклона более 1,5° заплечик свой задней поверхностью создает углубление по всей лицевой поверхности зоны перемешивания более 0,3 мм.

Таким образом, с применением параметров режима фрикционной обработки в соответствии с заявляемым изобретением достигается получение композиционного материала в зоне перемешивания на основе несмешивающихся компонентов системы Al-Pb с равномерным распределением глобулей свинца при содержании последнего в диапазоне 1-44%.

Изобретение относится к области сварочного производства и металлургии, а именно к получению композиционного материала системы Al-Pb на основе технологии сварки трением с перемешиванием с использованием инструмента, выполненного с опорным заплечиком и пином. В матрице из алюминиевого сплава выполняют глухой паз на глубину не более 0,75 длины пина инструмента при ширине не более его диаметра. Заполняют паз порошком свинца и осуществляют закрытие заполненного порошком свинца паза инструментом только с опорным заплечиком без пина при соотношении частоты вращения инструмента к величине продольной подачи в диапазоне 5,7-7,5 об/мм при угле наклона инструмента 1,0-1,5° к направлению подачи. Затем в закрытый закрывающим швом паз вводят инструмент с пином и перемещают его вдоль паза с воздействием на пластифицированную зону давлением, приложенным перпендикулярно поверхности матрицы из алюминиевого сплава с помощью опорной поверхности инструмента. При этом инструмент погружают в паз при соотношении частоты вращения инструмента к величине продольной подачи в диапазоне 9,5-11,4 об/мм, а угол наклона инструмента составляет 2–4° к направлению подачи. Обеспечивается равномерное распределение свинца по зоне перемешивания с формированием мелкодисперсных глобулей и возможность регулирования его объемной доли в композиционном материале. 5 ил., 1 табл.

Способ получения композиционного материала системы Al-Pb на основе технологии сварки трением с перемешиванием с использованием инструмента, выполненного с опорным заплечиком и пином, вращающегося вокруг оси, характеризующийся тем, что в матрице из алюминиевого сплава выполняют глухой паз на глубину не более 0,75 длины пина инструмента при ширине не более его диаметра, заполняют паз порошком свинца, осуществляют закрытие заполненного порошком свинца паза инструментом только с опорным заплечиком без пина при соотношении частоты вращения инструмента к величине продольной подачи в диапазоне 5,7-7,5 об/мм при угле наклона инструмента 1,0-1,5° к направлению подачи, затем в закрытый закрывающим швом паз вводят инструмент с пином и перемещают его вдоль паза с воздействием на пластифицированную зону давлением, приложенным перпендикулярно поверхности матрицы из алюминиевого сплава с помощью опорной поверхности инструмента, при этом инструмент погружают в паз при соотношении частоты вращения инструмента к величине продольной подачи в диапазоне 9,5-11,4 об/мм, а угол наклона инструмента составляет 2–4° к направлению подачи.