CC BY
1
УДК: 621.791.14
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-623-624
УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЕМ
С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
В.Р. Аллагулов, Д.С. Макашин
В статье рассматривается метод упрочнения рабочих поверхностей, который опирается на применение метода сварки трением с перемешиванием. Суть этого метода заключается в использовании специализированного инструмента, который ме-хано-термически воздействует на обрабатываемую поверхность. Чтобы достичь качественного упрочненного слоя с равномерным распределением армирующих частиц, важно правильно подобрать режимы обработки. Для этого сочетаются высокая скорость вращения инструмента с относительно высокой скоростью его движения по поверхности, обеспечивающие оптимальные тепловые условия для формирования упрочненного слоя. Этот метод обладает перспективами в промышленности благодаря своей энергоэффективности и относительной простоте использования. Применение методов трения с перемешиванием и наплавки трением для обработки поверхности способен привести к значительному повышению микротвердости поверхности на 18-34% и сократить объемный износ упрочненной зоны в два раза, что повышает износостойкость. Он может использоваться для упрочнения деталей из легких сплавов и конструкционных сталей с применением соответствующих теплостойких материалов в инструментах.
Ключевые слова: трение, объемный износ, обработка трением с перемешиванием, структура, механические свойства, рабочая поверхность.
Существует связанный с методом сварки трением с перемешиванием (СТП) метод, который называется методом обработки трением с перемешиванием (ОТП). Отделение The Welding Institute (Кембридж) внесло значительный вклад в разработку и совершенствование метода СТП. Обычно считается, что специалисты из The Welding Institute (TWI) придумали метод СТП [1-4]. Исходя из принципов сварки трением с перемешиванием, началось активное изучение и развитие нового процесса обработки металлов в 2000-х годах [5, 6]. Процесс изменения микроструктуры, состава материала, физико-механических свойств и формования, основанный на термомеханическом воздействии на обрабатываемый материал с помощью специального вращающегося инструмента, называется обработкой трением с перемешиванием [7-10]. В процессе ОТП вращающийся инструмент, содержащий буртик и (в некоторых случаях) пин, оказывает осевое давление на поверхность полноразмерной заготовки или заготовки с добавляемым материалом [11]. В результате этого процесса образуется: структура с меньшей степенью неоднородности, слой другого (однородного или разнородного по отношению к базовому) материала, модифицированная зона с добавлением включений и технологический тоннель [12]. На рисунке 1 показаны технологии, основанные на принципе ОТП.
На рисунке 2 представлена схема, по которой осуществляется ОТП. В данном случае представлен инструмент с пином для глубинной ОТП. На рисунке 2 заготовка -цельная (одна половина показана прозрачной для иллюстративности).
Статья имеет цель исследование основных методов упрочнения металлов трением и оценку их эффективности. Полученные данные позволят сделать выводы о наиболее оптимальных способах упрочнения металлов трением и их возможном использовании для улучшения качества производства.
Постановка задачи. Проведенный анализ исследований источника [13] позволил выяснить, что применение глубинной обработки поверхности (ОТП) приводит к
различным изменениям физико-механических свойств материалов в зависимости от их типа. Например, у некоторых сталей наблюдается заметное или незначительное повышение твердости, а также улучшение коррозионной и износостойкости. У алюминиевых сплавов часто отмечается снижение твердости в области шва. Микроструктура материала также изменяется в результате ОТП, что влияет на его твердость и износостойкость. Например, при ОТП некоторых сталей образуются микрозерна, размер которых может быть значительно меньше размера зерен основного материала. Например, при ОТП технического железа размер зерен уменьшается с 130 до 6.2-2.1 мкм, а при ОТП алюминия - с 45 до 6.8 мкм. С уменьшением размера зерен также повышается твердость (микротвердость), причем иногда в несколько раз. Все эти факторы делают технологию глубинной обработки поверхности перспективным методом упрочнения, который также отличается доступностью в реализации[14].
ОТП
Глубинная (инструментом с пином)
При помощи пластины
Поверхностная (инструментом без пина)
При помощи накладки
С добавлением включений
При помощи канавки с частицами
Тун н елпро вание
При помощи отверстии с частицами
Наслаивание
Формообразование
Нерасходуемым инструментом
Расходуемым инструментом
Рис. 1 Технологии, основанные на принципе обработки трением с перемешиванием
V /
Рис. 2. Схема глубинной ОТП инструментом с пином: а — положение до обработки; б — положение в начале обработки; в — положение окончания обработки; г — положение после обработки
624
У образцов литого магния уровень напряжений (как предела текучести, так и предела прочности при сжатии) намного ниже, чем у магния подверженного обработке ОТП с различными профилями инструмента. На рисунке 3 показана разница влияния профиля инструмента на напряжения в металле, у образцов, обработанных квадратным и треугольным инструментом уровень напряжений выше, чем у образцов, обработанных цилиндрическим инструментом. Кривые напряжение-деформация были использованы для оценки прочности (оу), модуля Юнга и предельной прочности на сжатие. У образцов обработанных квадратным, треугольным и цилиндрическим инструментом разница предела текучести, по сравнению с литым сплавом составляет около 59 МПа, 66 МПа и 47 МПа соответственно. Тем не менее, для предельной прочности при сжатии разница составляла около 70, 76 и 56 МПа соответственно для материала, обработанного квадратным, треугольным и цилиндрическим инструментом, по сравнению с литым сплавом. Таким образом, благодаря применению метода ОТП произошло существенное повышение предела прочности и предела текучести, по сравнению с литым магнием, особенно для инструмента треугольного и квадратного профиля. Это означает, то материалы подверженным обработке выдерживали большую нагрузку до выхода из строя, чем не обработанным, что способствует динамической перекристаллизации и измельчению зерен. Метод ОТП модифицирует литую структуру магния путем разрушения остаточных оксидов с последующим равномерным перераспределением мельчайших вторичных фаз и уменьшает композиционную сегрегацию по всей структуре.
Проведение экспериментальных исследований. В результате проведенного исследования было обнаружено, что армирование образцов из алюминиевого сплава Д16 твердыми частицами карбидов кремния ^С) и карбидов молибдена (MoS) методом трения с перемешиванием имеет заметный эффект на их физико-механические свойства. Измерения микротвердости показали увеличение твердости поверхности после армирования. Интересно отметить, что упрочнение протекает равномерно по всей ширине зоны обработки инструментом и имеет относительно постоянную величину, превышающую исходную микротвердость поверхности на 20-26% при армировании частицами SiC и на 28-36% при армировании частицами MoS. Другим подтверждением наличия упрочнения является износостойкость образцов с армированной поверхностью по сравнению с необработанной поверхностью. Результаты показали, что поверхность, армированная частицами SiC, обладает двукратно повышенной износостойкостью по сравнению с необработанной поверхностью. Таким образом, можно сделать вывод, что обработка трением с перемешиванием обеспечивает упрочнение рабочей поверхности. Увеличение микротвердости составляет от 20% до 36%, в зависимости от используемых упрочнителей, а износостойкость повышается в два раза. При этом коэффициент трения остается достаточно стабильным.
В источнике [14] проведенные исследования показали, что обработка образцов из сталей 95Х18, Р6М5 и У8 с использованием оптимальных режимов метода ОТП приводит к повышению твердости и изменению микроструктуры материала. В случае образца из стали Р18 было замечено разрушение твердосплавного пина инструмента. По сравнению с исходными значениями, твердость увеличилась на 220%, 20% и 170% для сталей 95Х18, Р6М5 и У8 соответственно. Обработанные участки не имеют значительных дефектов. Одним из актуальных направлений обработки инструментальных материалов является исключение дефектов, поскольку они снижают прочность упрочненного материала. ОТП позволяет проводить локальное упрочнение материала, что может быть более эффективным, чем термообработка. Упрочнение можно осуществлять как сырого материала, так и уже термообработанного.
ОТП обеспечивает повышение твердости. Например, при упрочнении термооб-работанной стали 95Х18 удалось повысить твердость с 600 НУ до 780 НУ. Инструмент из твёрдого сплава можно использовать для упрочнения, даже несмотря на налипание обрабатываемого материала на рабочую зону инструмента. Проведенные эксперименты показали, что оптимальная температура процесса не превышает 950°С, а осевая сила
давления инструмента на обрабатываемые заготовки составляет 5-8 кН при оптимальной температуре. ОТП является экологичным и простым в осуществлении методом упрочнения, который можно проводить на универсальном фрезерном оборудовании.
Наплавка трением — это новый вариант обработки трением с перемешиванием (НТ). Наплавка трением — это процесс нанесения покрытия на поверхность в твердом состоянии и использует деформируемый металлический стержень. НТ находит свое применение в покрытии корродированных компонентов и помогает объединять и восстанавливать поврежденные компоненты. НТ - потенциальный процесс в технике, основанных на трение с перемешиванием, для нанесения покрытий и восстановления компонентов. Традиционные дефекты, связанные с процессом сварки (такие как кристаллизационная трещина и пористость), могут быть ограничены из-за их твердого состояния. Таким образом, материалы с плохой свариваемостью могут быть соединены вместе.
В НТ вращающийся стержень давит на поверхность под воздействием осевой силы, действующей вдоль вертикальной оси инструмента. Это приводит к вязко-пластическому состоянию твердого тела, которое помогает создать процесс интердиффузии и образует межфазную связь между подложкой и пластическим материалом. Затем стержень перемещается линейно вдоль заданного пути, и материал наносится на базовый материал. Трехмерная структура потока материала помогает соединять материалы, что называется феноменом области третьего тела. Область третьего тела не полностью ограничена и находится между температурой рекристаллизации и температурой плавления материала, который имеет относительно низкое напряжение текучести. Уровень деформации и количество тепла, создаваемого взаимно, зависят друг от друга. Здесь происходит проскальзывание вязкости из-за разницы в скорости между инструментом и слоем нанесения. Это скольжение также так же называется поверхностью трения. Таким образом, поверхность трения образуется на начальной стадии процесса НТ из-за контакта и соединения материала на поверхности. Поскольку нет бокового ограничения потока материала, это приводит к "вращающемуся всплытию" и недостаточному сцеплению на продвигающейся и отступающей сторонах.
Охлаждение при наплавке трением происходит за счет следующих механизмов теплопередачи: конвекции и излучения между материалом и окружающей средой, теплопроводности к поверхности металла. Процесс охлаждения происходит в течение нескольких секунд, в результате чего образуется мелкозернистая структура и однородное покрытие. Качество и геометрия покрытия в процессе НТ определяются температурой процесса, которая является наиболее важным параметром.
Выводы. Применение методов трения с перемешиванием и наплавки трением для обработки поверхности является эффективным подходом в технологии упрочнения поверхности. Этот метод способен привести к значительному повышению микротвердости поверхности на 18-34% и сократить объемный износ упрочненной зоны в два раза, что повышает износостойкость. Он может использоваться для упрочнения деталей из легких сплавов и конструкционных сталей с применением соответствующих теплостойких материалов в инструментах. Более того, данный метод имеет более низкий уровень энергопотребления по сравнению с другими методами, такими как электродуговая наплавка, где расход энергии сокращается почти в сто раз. Дополнительным преимуществом этого метода является возможность локализованного или избирательного упрочнения определенных участков поверхности.
Список литературы
1. Mironov S., Sato Y. S., Kokawa H. Microstructural evolution during friction stir-processing of pure iron // Acta Mat. 2008. Vol. 56. P. 2602-2614.
2. Колубаев Е. А. Особенности формирования структуры сварного соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием. 2013. № 6. [Электронный ресурс] URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11292 (дата обращения: 27.09.2021).
3. Варочко А. Г., Кузнецов С. В., Половцев В. А., Саратов Н. Н., Прохорович В. Е., Быченок В. А. История становления и перспективы развития технологии сварки трением с перемешиванием в АО "ГКНПЦ им. М. В. Хруничева" // Технологии и машины сварочного производства и родственных процессов. Технология машиностроения. 2021. № 4. С. 16-41.
4. Pat. 9125978.8, International patent application, PCT GB 92/02203. Friction-stir butt welding / Thomas W.M., Nicholas E. D, Needham J. C, Murch M.G., Temple-Smith P, Dawes C. J. 1991. Динамика систем, механизмов и машин. 2021. Том 9, № 1 103
5. А. с. 195846. МПК В 23 К 20/12. Способ сварки металлов трением / Клименко Ю. В. № 1036054; заявл. 09.11.65; опубл. 00.00.67.
6. Xiujuan Jiang, Nicole Overman, Nathan Canfield, Kenneth Ross. Friction stir processing of dual certified 304/304L austenitic stainless steel for improved cavitation erosion resistance // Applied Surface Science. 2019. Vol. 471. P. 387-393.
7. Муравьёв В. И., Бахматов П. В., Мелкоступов К. А. К вопросу актуальности исследования сварки трением с перемешиванием конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов // Ученые записки. 2010. №11. С. 110-125.
8. Бургонова О. Ю., Пантюхова К. Н., Бадамшин А. М., Глотов А. И. Определение рациональных режимов разупрочняющей обработки стальных фланцев // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 11-й Между-нар. науч.-техн. конф. 2021. (Россия, Омск, 24-27 февраля 2021 года), 2021. С. 147-148.
9. Hajian M., Abdollah-zadeh A., Rezaei-Nejad S.S. [et al.]. Microstructure and mechanical properties of friction stir processed AISI 316L stainless steel // Mat. and Design. 2015. Vol. 67. P. 82-94.
10. Бургонова О. Ю., Пантюхова К. Н., Бадамшин А. М., Глотов А. И. Определение рациональных режимов разупрочняющей обработки стальных фланцев // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 11-й Междунар. науч.-техн. конф. 2021. (Россия, Омск, 24-27 февраля 2021 года), 2021. С. 147-148.
11. Morisadac Y., Fujii H., Mizuno T. [et al.]. Nanostructured tool steel fabricated by combination of laser melting and friction stir processing // Mat. Sc. and Eng. 2009. Vol. A505. P. 157-162.
12. Малышев, В. Н. Упрочнение рабочих поверхностей обработкой трением с перемешиванием / В. Н. Малышев, К. А. Корепин // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2019. Т. 23, № 4(86). С. 26-32.
13. Ахунова, А. Х. Численное моделирование обработки трением с перемешиванием заготовок из алюминиевого сплава Д16 / А. Х. Ахунова, М. Ф. Имаев, А. Х. Ва-леева // Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы: Сборник трудов Открытой школы-конференции стран СНГ, Уфа, 05-09 сентября 2020 года / Отв. редактор А.А. Назаров. Уфа: Башкирский государственный университет, 2020. С. 232-234.
14. Обработка трением с перемешиванием как способ упрочнения режущего инструмента / И. К. Черных, Е. В. Васильев, А. М. Бадамшин, А. Г. Кушнарева // Динамика систем, механизмов и машин. 2021. Т. 9, № 1. С. 97-103.
Аллагулов Вадим Ришатович, студент, Россия, Омск, Омский государственный технический университета,
Макашин Дмитрий Сергеевич, канд. техн. наук, доцент., dima.makashin@,gmail.com, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
FRICTION HARDENING OF WORKING SURFACES WITH AGITATION
В.R. Allagulov, D.S. Makashin 627
The article deals with the method of hardening of working surfaces, which relies on the application of the friction stir welding method. The essence of this method is the use of a specialised tool, which mechanically and thermally acts on the surface to be treated. To achieve a high-quality hardened layer with uniform distribution of reinforcing particles, it is important to select the right processing modes. For this purpose, high tool rotation speed and relatively high speed of tool movement on the surface are combined to provide optimum thermal conditions for the formation of the hardened layer. This method holds promise in industry due to its energy efficiency and relative ease of use. The use of friction stir friction and friction cladding methods for surface treatment can lead to a significant increase in surface mi-crohardness by 18-34% and reduce the volumetric wear of the hardened zone by half, which increases wear resistance. It can be used for the hardening of light alloys and structural steels with the use of appropriate heat resistant materials in the tools.
Key words: friction, volumetric wear, friction treatment with stirring, structure, mechanical properties, working surface.
Allagulov Vadim Rishatovich, student, vadim_allagul@,mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Makashin Dmitry Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, dima.makashin@,gmail.com, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
