СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ С МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING A WORKPIECE WITH A FINE-GRAINED STRUCTURE AND A DEVICE FOR CARRYING IT OUT

Изобретение относится к области деформации металлов и может быть использовано для прессования любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные. Наиболее близким аналогом является способ получения заготовки с мелкозернистой структурой и устройство для его осуществления (RU 22401997 C1, B21J 5/00, 20.11.2004) [1], где в специализированных установках прессования производят деформацию металла путем его продавливания через винтовую фильеру, что позволяет получать очень мелкозернистую структуру и, как следствие, высокие механические свойства в обработанных заготовках.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения принят метод кручения под высоким давлением (КВД) в наковальнях Бриджмана [2], где пластическая деформация образца производится в результате сдвига материала под действием крутящего момента и усилия прессования. При кручении под давлением момент и сила имеют активный характер. Данный прототип позволяет обрабатывать любые металлы, включая тугоплавкие и химически активные, измельчая структуру до нанокристаллической размерности за короткое время.
Как показала практика методом винтовой экструзии ВЭ и методом кручения под высоким давлением КВД нельзя получить массивные заготовки. Всесторонняя ковка ВК позволяет произвести относительно большой объем заготовки, где можно добиться формирования наноструктуры, но это требует больших энергозатрат и времени производства.
Предлагаемый способ позволяет осуществлять интенсивную пластическую деформацию любых металлов и неметаллов, при этом решая задачу получения заданной структуры материала в большом объеме заготовки. Процесс позволяет с наименьшими временными и экономическими затратами производить как наноструктурный, так и субмикрокристаллический металлы.
Задачей изобретения является повышение эффективности использования и расширения технических возможностей за счет получения изделий с особыми свойствами, а также упрощения и повышения эффективности и надежности работы оборудования.
Поставленная задача достигается тем, что способ получения заготовки с мелкозернистой структурой включает деформирование выполненной с гранями заготовки, которое осуществляют по меньшей мере за один цикл без изменения после цикла деформирования формы ее поперечного сечения, отличающийся тем, что цикл деформирования включает первую операцию кручения заготовки, вторую операцию осадки скрученной заготовки и заключительную операцию прессования, при этом перед первой операцией кручения осуществляют нагрев заготовки, а операцию осадки ведут в закрытом штампе при опоре на его стенки вершин скрученной заготовки, образованных ее гранями, на операции кручения определяют величину угла скручивания заготовки с использованием датчиков обратной связи, при этом операцию кручения заготовки в повторном цикле деформировании осуществляют в сторону, противоположную кручению в предшествующем цикле, на заключительной операции прессования заготовку дополнительно скручивают, деформируют заготовку, полученную литьем в медную охлаждаемую форму с перемешиванием расплава до полной кристаллизации. Устройство для получения заготовки с мелкозернистой структурой, отличающееся тем, что оно содержит расположенные по одной линии индуктор для нагрева заготовки, стационарную оправку для удержания заготовки, втулку, установленную с возможностью поворота вместе с заготовкой для ее скручивания, закрытый штамп для осадки скрученной заготовки, фильеру для прессования заготовки и шток, установленный с возможностью перемещения нагретой в индукторе заготовки в стационарную оправку и втулку, а скрученной заготовки - в закрытый штамп для осадки, при этом закрытый штамп для осадки выполнен в виде двух частей, имеющих полость и расположенные на одной из частей упоры для захвата заготовки, пуансона и поддона, стационарная оправка и втулка выполнены с внутренней частью, соответствующей геометрии заготовки, а поддон закрытого штампа для осадки выполнен с возможностью его удаления после осадки скрученной заготовки и замены на фильеру для прессования заготовки. Устройство снабжено подпятником, установленным между частями штампа и выполненным из деформируемого материала, обеспечивающего проталкивание осаженной заготовки через фильеру, а полость частей штампа выполнена граненой или с круглым поперечным сечением, закрытый штамп для осадки заготовки и фильера для прессования заготовки выполнены заменяемыми, устройство снабжено датчиками обратной связи для определения величины угла кручения заготовки.
Для того чтобы осуществить процесс по схеме КОП с наименьшими временными и экономическими затратами, необходима заготовка с наименьшей величиной зерна, где нет накопленной деформации. Такую заготовку можно производить методом литья, заполняя расплавом медные охлаждаемые кристаллизаторы небольшого сечения с интенсивным перемешиванием расплава до момента его полной кристаллизации. Формированию наименьшей величины зерна способствует интенсивный отвод тепла от кристаллизующегося расплава и уменьшение сечения кристаллизатора, куда поступает расплав.
2
Например, при площади внутреннего сечения кристаллизатора, равной 1 дм, круглый кристаллизатор будет иметь длину периметра, равную 3,54 дм, квадратный кристаллизатор 4 дм, а треугольный кристаллизатор 4,56 дм. Это означает, что от расплава тепло в круглом кристаллизаторе будет отводиться с наименьшей интенсивностью, а в треугольном - с наибольшей интенсивностью. Чем больше граней у фигуры, описывающей внутренний контур кристаллизатора, тем скорость охлаждения слитка меньше. Поэтому для производства литой заготовки наиболее подходит треугольная форма сечения кристаллизатора. Присутствие граней на заготовке имеет технологический характер, это необходимо для осуществления операции кручения заготовки. За счет граней часть заготовки удерживается в специальной оправке, а другая часть заготовки поворачивается за счет другой оправки.
Как показал опыт, при осуществлении различных видов интенсивной пластической деформации кручение позволяет за наименьшее время произвести измельчение структуры металла по сравнению с другими схемами деформирования. Например, за счет кручения под высоким давлением на один оборот достигается такая величина зерна, которую при использовании обычной схемы растяжения можно получить, если растянуть заготовку более чем в миллион раз. При использовании методов ВЭ и КВД нет возможности деформировать массивные заготовки. Это связано с очень большими силами трения, образующимися при деформации между металлом и инструментом. Увеличение массы заготовки создает трение, при котором инструмент начинает ломаться.
Для решения проблемы увеличения массы деформируемой заготовки предлагается процесс по определенной схеме кручения заготовки с последующей осадкой в закрытом штампе, завершающийся прессованием. Для этого процесса наиболее эффективно использовать литую граненую заготовку, имеющую мелкозернистую структуру. Заготовку целесообразно нагревать с высокой скоростью.
При анализе сил, необходимых для деформирования заготовки путем осадки и прессования, необходимо рассмотреть распределение удельного давления на заготовку определенного диаметра. При осадке удельное давление на заготовку диаметром D распределяется неравномерно от центра к периметру и может быть приближенно определенно из выражения:
где S - предел текучести материала;
t - толщина заготовки;
r, R - соответственно начальный и конечный радиус детали.
Данная формула показывает, что при осадке максимальное давление действует по центру заготовки, уменьшаясь к периферии.
Возникающие удельные давления при прессовании определяются выражением:
,
0
где Р - давление, требуемое для продавливания материала через отверстие. В соответствии с данным выражением распределение давления при прессовании на заготовку увеличивается от ее центра к периферии.
При осуществлении совместных операций осадки и прессования общая величина давления, действующая по центру и по периферии, выравнивается.
2
В качестве примера оборудования, осуществляющего деформационную схему КОП, на Фиг. 1,a показано устройство, где обрабатывается заготовка 1 длиной 1,5 м, квадратного сечения со стороной, равной 200 мм, площадью 4 дм. Заготовка после нагрева индуктором 2 поднимается нижним штоком 3, проходит (Фиг. 1,б) через стационарную оправку 4 и попадает во втулку 5, внутренняя часть оправки и втулки соответствует геометрии заготовки. Оправка удерживает заготовку, а втулка вместе с частью заготовки поворачивается на определенный угол вокруг оси. Таким образом, осуществляется операция кручения заготовки на определенное количество оборотов.
Угол поворота рассчитывается в зависимости от пластических свойств материала. Скручивание заготовки может производиться с применением обратной связи, за счет датчиков, по которым определяется максимально возможный угол скручивания. По превышению степени скручивания металл будет подавать сигнал датчикам, о накопленной деформации, которая может развиться в трещину. По достижении данного состояния скручивание прекращается. Заготовка, выходя из оправки, скручивается втулкой с периодической остановкой или с постоянной подачей. После скручивания (Фиг. 1,в) за счет нижнего штока заготовка поступает в нижний штамп 6 и верхний штамп 7, где заготовка захватывается упорами 8. Скрученная заготовка гранями вписывается в периметр штампа, соприкасаясь с его стенками таким образом, чтобы при осадке заготовки грани упирались в стенки штампа, и осадка производилась в стесненном состоянии.
На Фиг. 1,г изображена операция осадки (набора металла) скрученной заготовки 1 в верхнем и нижнем штампах пуансоном 9 с верхним штоком 10. Внутреннее сечение штампов может быть различной геометрии - круглым, квадратным, шестигранным, треугольным и т.д. Скрученная заготовки, если рассматривать ее с торца, будет описывать вершинами граней окружность, которая будет вписана во внутренний контур штампов. Для осадки заготовки снизу штампы закрываются поддоном 11, упоры отпускают заготовку, а пуансон 9 и верхний шток 10 осаживают заготовку до момента полного заполнения металлом полости штампа. При этом осаженная заготовка выходит из полости верхнего штампа и занимает полость нижнего штампа. После прессования в круглом штампе диаметром 300 мм скрученной квадратной заготовки 200×200 мм и длиной 1,5 м, длина прессованной заготовки будет 0,85 м, при этом степень деформации составит:
0
где Н - длина заготовки до деформации;
к
Н - длина заготовки после деформации.
Для осуществления операции прессования удаляется поддон и вместо него (Фиг. 1,д) устанавливают фильеру 12 с шайбой 13. Фильера имеет квадратное сечение, при прессовании через которую заготовка приобретает прежнее сечение до скручивания. Шайба состоит из вещества, снижающего трение между заготовкой и фильерой при прессовании. Между верхним и нижним штампами устанавливают кольцо 14 с подпятником 15. Подпятник состоит из вещества, которое может деформироваться и позволяет проталкивать заготовку сквозь фильеру.
На Фиг. 1,е показан момент прессования осаженной заготовки, длиной 0,85 м, диаметром 300 мм из нижнего штампа, под действием пуансона и верхнего штока. Заготовка попадает в фильеру и после нее попадает во втулку и оправку, далее поступает в индуктор, опираясь на нижний шток.
На Фиг. 1,ж изображен момент прохождения заготовки через фильеру за счет деформации подпятника 15 верхним штоком 10.
На Фиг. 1,з изображен момент установки заготовки в индуктор. Далее верхний шток и пуансон уходят в исходное состояние.
После этого (Фиг. 1,а) устройство готово к повторной деформации по схеме КОП. Повторное скручивание наиболее эффективно производить в противоположную сторону по отношению к предшествующему кручению для более интенсивного измельчения структуры зерна металла.
Для пояснения предлагается графическое изображение схемы КОП, где используются два цикла деформации. Используя контуры линий граней прессуемой заготовки, можно графически показать скорость измельчения кристаллов.
На Фиг. 2,а показан контур квадратной заготовки, где каждая продольная грань обозначена буквами а, б, в, г.
На Фиг. 2,б показана развертка боковой плоскости заготовки, разрезанной по грани в.
На Фиг. 2,в показан контур линий граней скрученной заготовки, где в качестве линии отсчета взята верхняя линия развертки. Относительно этой линии после скручивания контуры грани по наклонной параболе идут слева на право.
На Фиг. 2,г показан контур линий после осадки заготовки, где видно, что периметр развертки изменился, при этом линии граней сблизились по вертикали и удлинились по горизонтали.
На Фиг. 2,д показан контур линий граней, после того как осаженная заготовка была пропрессована через квадратную фильеру. Металл заготовки более свободно проходит через углы квадратной фильеры, испытывая меньшее сопротивление, чем металл в местах максимально удаленных от углов, поэтому линии граней на развертке принимают одновременно наклонную и волнообразную форму.
На Фиг. 2,е изображена развертка после скручивания заготовки в противоположную сторону. Скручивание заготовки в противоположную сторону позволяет новым линиям, образованным от контуров новых граней, пересекать ранее сформированные волнообразные контуры линии от прежних граней. Искривление и пересечение линий показывает, что деформация производится в интенсивном режиме измельчения зерна в заготовке. При дальнейшей деформации заготовки осадкой и прессованием рисунок линий на развертках будет более усложняться, что приведет к большему измельчению зерна. Если заготовку деформировать, не используя операции разнонаправленного скручивания, то линии граней на развертках будут искривляться и пересекаться менее интенсивно. Поэтому скорость измельчения структуры зерна металла будет меньше, чем в предлагаемой схеме.
Предлагаемая схема деформации кручением, осадкой и прессованием разработана не только для быстрого измельчения структуры зерна заготовки, но и для повышения скорости деформации, а также для упрощения деформационного оборудования. Это достигается за счет того, что сразу после нагрева заготовка может попадать в механизм скручивания. Механизм скручивания, располагаясь у зоны нагрева, делает деформационное устройство компактным и не позволяет терять тепло, запасенное в заготовке. При выходе из механизма скручивания заготовка сразу может попадать в штамп для ее осадки, что также экономит время и энергию. После осадки заготовки, имеется возможность прессовать заготовку в том же направлении и снова перемещать ее в зону нагрева. Это значит четыре операции (нагрев, кручение, осадка и прессование) можно производить циклически в минимальном пространстве с максимальной скоростью и минимальной потерей энергии при перемещении заготовки.
Схема деформации, выстроенная по одной линии, позволяет с максимально возможной скоростью, не теряя излишней энергии и времени, производить с заготовкой многократные операции нагрева - кручения - осадки - прессования. Поэтому схема деформации для производства становиться очень эффективной. Используя один набор нагревательного и прессующего инструмента, размещенного в небольшом объеме, за счет разнонаправленного скручивания заготовки, можно с наименьшими затратами добиваться заданной величины зерна металла.
Возможность кручения заготовки в противоположных направлениях делает процесс измельчения зерна наиболее эффективным.
Процесс КОП можно осуществлять на деформационном оборудовании, расположенном не на одной линии. Это увеличит потери энергии и времени, но будет компенсироваться более простым оборудованием, осуществляющим схему деформации КОП.
2
Схема КОП позволяет, используя заготовку с одинаковой площадью сечения, деформировать ее с разной степенью деформации. Для того изменяется геометрия заготовки, контура штампа и контура фильеры. На Фиг. 3 показана с торца заготовка имеющая квадратное и треугольное сечение равной площадью 4 дм.
На Фиг. 3,а схема КОП для квадратной заготовки 200×200 мм производится кручением с осадкой в круглом штампе, диаметром 300 мм и прессованием через квадратную фильеру 200×200, при этом коэффициент вытяжки заготовки составляет 1,8 ед.
На Фиг. 3,б схема КОП для квадратной заготовки 200×200 мм производятся кручением с осадкой в квадратном штампе 300×300 и прессованием через квадратную фильеру 200×200, при этом коэффициент вытяжки заготовки составляет 2,25 ед.
На Фиг. 3,в схема КОП для треугольной заготовки с гранью длиной 300 мм производится кручением с осадкой в круглом штампе диаметром 360 мм и прессованием через треугольную фильеру со стороной 300 мм, при этом коэффициент вытяжки заготовки составляет 2,6 ед.
На Фиг. 3,г схема КОП для треугольной заготовки с гранью длиной 300 мм производится кручением с осадкой в треугольном штампе со стороной 620 мм и прессованием через треугольную фильеру со стороной 300 мм. при этом коэффициент вытяжки заготовки составляет 4,1 ед.
Основу схемы на Фиг.1 раскрывает установка, где используется вертикальная схема перемещения заготовки. Для более длинных заготовок целесообразно использовать горизонтальную схему перемещения заготовки.
В качестве нагревателя под деформацию заготовки может использоваться помимо индуктивного нагрева электроконтактный нагрев, нагрев в печи сопротивления, нагрев плазмой, электронным лучом, микроволнами и т.д.
Необходимо отметить, что предлагаемое устройство позволяет быстро менять поддон, устанавливая на его место фильеру определенного профиля. По данной схеме имеется возможность менять механизм скручивания. Это открывает для оборудования новые возможности.
Например заготовку треугольного сечения можно скрутить и осадить в цилиндр, а затем, заменив фильеру механизма скручивания на квадратный профиль, прессовать квадратную заготовку. Далее при следующем цикле квадратную заготовку можно, заменив деформационный инструмент, пропрессовать в шестигранную заготовку. Далее из шестигранной заготовки возможно произвести круглый или другой требуемый профиль. Это позволяет значительно расширить возможности оборудования, регулируя величину степени деформации за счет изменения площади профиля деформируемой заготовки.
Дополнительно оборудование имеет возможность производить скручивание заготовки сразу при проведении прессования, когда заготовка в обратном направлении выходит из фильеры и попадает во втулку, которая скручивает заготовку. Это ускоряет процесс деформации по схеме КОП и позволяет производить подогрев скрученной заготовки. Данная возможность позволяет производить осадку и прессование материалов, требующих подогрева поверхности скрученной заготовки, хотя скрученную заготовку можно подогревать и по схеме, изображенной на Фиг. 1. Но для этого после скручивания заготовку нужно возвращать и устанавливать в нагреватель.
При практическом внедрении данного способа на предприятиях возможно поставлять на рынок заготовки металла с наноструктурой. Цена этих заготовок будет значительно выше обычного металла в слитках. Это позволит предприятиям освоить новые секторы рынка, где прочность металла может возрасти в 2-4 раза при сохранении пластичности.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.Е. Бейгельзимер, В.Н. Варюхин и др. Винтовая экструзия - технологий накопления деформации, - Донецк, Донецкая фирма наукоемких технологий НАМ Украины (Фирма ТЕАН), 2003 г.
2. О.А. Кайбышев, Ф.З. Утяшев. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов. - М.: Изд-во "Наука", 2002 г. (стр. 129-142, 229-232).