СПОСОБ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК В СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE OF DEFORMATION FOR PRODUCTION OF BLANKS IN SUB-CRYSTAL AND NANO-STRUCTURED STATE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам деформационно-термической обработки материалов и может применяться для получения заготовок материалов в наноструктурированном состоянии с высоким уровнем физико-механических свойств материала, который может быть использован в авиастроении, машиностроении, двигателестроении, медицине и т.д.
Предложенные способ и устройство позволяют получать субмикрокристаллическое и наноструктурированное состояние в титане технической чистоты с помощью интенсивной пластической деформации (ИПД) и прокатке на прокатном стане.
Известно большое число способов обработки металлов и сплавов для повышения эксплуатационных характеристик. Многие из них основаны на обработке различными видами пластической деформации в сочетании с термическим воздействием. Одним из таких методов обработки является деформирование заготовок для получения ультрамелкозернистой структуры (УМЗ), обеспечивающей повышение физико-механических свойств в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах (В.М.Сегал, В.И.Копылов, В.И.Резников. Процессы пластического структурообразования металлов. Минск: Наука и техника, 1994, с.26). Этот способ относится к методам интенсивной пластической деформации и позволяет добиться существенного повышения прочности металлических материалов за счет накопления высоких степеней деформаций сдвига.
Известны способ и устройство (патент US №5400633, B21C 23/00, 23/21, опубл. 28.03.1995) для деформационной обработки материалов, включающий ИПД путем равноканального углового (РКУ) прессования заготовки без изменения ее поперечного сечения. При продавливании заготовки через два пересекающихся канала с одинаковым поперечным сечением материал в месте пересечения каналов претерпевает деформацию сдвига. Указанную последовательность операций можно осуществлять многократно.
Известен способ изготовления прямоугольных поковок путем свободного осаживания слитков с последующими обжатиями для получения плоских граней (И.П.Тарновский, В.Н.Трубин, М.Г.Златкин. Свободная ковка в прессах. М.: Машиностроение, 1967. с.222-242.).
Известен способ механической обработки титановых заготовок многократной прокаткой или экструдированием (Цвиккер У. Титан и его сплавы. Перевод с немецкого. - М.: Металлургия 1979. с.512), существенно улучшающий механические свойства за счет создания в материале субструктуры.
Известен способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок (патент РФ №2175685, C2F 1/18, B21J 5/00, 10.11.2001) включающий пластическую деформацию в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при определенной температуре, после чего осуществляют термомеханическую обработку. Данный способ позволяет получать объемные титановые заготовки с УМЗ-структурой.
Известен способ деформирования заготовок в пересекающихся каналах (патент РФ №2139164, B21J 5/00, C22F 1/00, опубл. 10.10.1999). В данном способе интенсивное деформирование заготовки производится с подпором в ступенчатом горизонтальном канале, что позволяет повысить прочностные характеристики и качество поверхности заготовок за счет дополнительной смазки.
Известен способ получения материала с ультрамелкозернистой или субмикрокристаллической структурой деформированием с обеспечением интенсивной пластической деформации (варианты) (патент РФ №2334582, B21J 5/00, C22F 1/00, опубл. 27.09.2008), в котором производят последовательное по этапам сжатие заготовки в сквозном прямоугольном канале матрицы одновременно с двух сторон. В результате обеспечивается интенсивная пластическая деформация материала заготовки.
К общему недостатку способов и устройств, касающихся равноканального углового прессования, связанного с механической схемой деформирования, относят трудности переустановки заготовки в вертикальный канал для последующих циклов из-за одинаковых по площади размеров каналов и заготовки (сложно без дополнительной механической обработки переустановить заготовку и качественно нанести смазку). Известные способы обработки материалов деформацией, описанные выше, дорогостоящие и могут содержать большой процент отходов. К общему недостатку способов и устройств равноканального углового прессования относится и существенная неравномерность распределения плотности материала в концевых частях заготовки, что не обеспечивает структурного однородного состояния вещества во всем объеме. Кроме этого, требуется применение мощного прессового оборудования.
Наиболее близким к предлагаемому способу является изобретение по патенту РФ №2383632, C21D 7/10, C22F 1/00, B21J 5/00, B21J 13/02, B82B 3/00, опубл. 10.03.2010 г., в котором приведен способ деформационной обработки материалов, включающий последовательное по циклам деформирование исходной заготовки сжатием ее по высоте в полости устройства для деформационной обработки с обеспечением пластического течения материала заготовки в двух противоположных направлениях, не совпадающих с направлением деформационного усилия, и получением заготовки с боковыми гранями, при этом каждый цикл деформирования включает размещение заготовки в полости устройства для деформационной обработки, ее деформирование, извлечение заготовки из полости указанного устройства и переустановку заготовки для осуществления следующего цикла. При этом деформирование заготовки осуществляют с обеспечением пластического течения ее материала равномерно в двух противоположных направлениях по оси, перпендикулярной к направлению прилагаемого деформационного усилия. Устройство для деформационной обработки материалов содержит верхнюю рабочую часть с полостью и верхний пуансон, при этом оно снабжено нижним пуансоном, а полость нижней рабочей части выполнена из двух частей с прямоугольным сечением и двумя расположенными сверху подпорами клиновидной формы, выполненными с обеспечением площади входных поперечных сечений горизонтальной части полости, которая на 3-20% меньше площади поперечного сечения верхней вертикальной части полости.
Основными недостатками известных способа и устройства является то, что таким путем не удается добиться анизотропного однородного наноструктурного материала, хотя сравнение структуры в поперечном и продольном сечениях демонстрирует отсутствие заметной анизотропии формы зерен.
Известные способ и устройство позволяют за счет ИПД получать ультрамелкозернистое и наноструктурированное состояние материала заготовки, однако полученного уровня механических свойств материала не достаточно для изготовления ответственных конструкций.
Задачей изобретения является разработка способа и устройства, обеспечивающих более технологичное и менее затратное получение однородного объемного материала заготовок в субмикрокристаллическом и наноструктурированном состоянии с улучшенным уровнем механических свойств.
Указанный технический результат достигается тем, что способ деформирования для получения заготовок в субмикрокристаллическом и наноструктурном состоянии включает последовательную по циклам деформационную обработку исходной заготовки с ее деформированием, которое осуществляют с обеспечением интенсивной пластической деформации заготовки, и далее многоходовую механическую обработку заготовки на прокатном стане, причем каждый цикл деформационной обработки включает размещение заготовки в центре крестообразной полости устройства для деформационной обработки, имеющей прямоугольные пересекающиеся по середине пресс-формы вертикальную и горизонтальную части, ее деформирование, извлечение из указанной полости и переустановку для осуществления следующего цикла путем поворота на 90°, а деформирование осуществляют путем одновременного сжатия заготовки по высоте с двух сторон в середине крестообразной полости с обеспечением пластического течения материала заготовки в двух противоположных направлениях по оси, перпендикулярной направлению прилагаемого деформационного усилия, и с ограничением деформации заготовки стенками горизонтальной части полости, которая имеет закругленные сверху и снизу боковые торцы и по два расположенных сверху и снизу подпоров клиновидной формы, выполненных с обеспечением площади входных поперечных сечений горизонтальной части полости, которые на 2-10% меньше площади поперечного сечения вертикальной части полости.
В способе используют деформационное устройство с горизонтальной частью полости, которая состоит из двух частей, первая из которых ограничена сверху и снизу подпорами клиновидной формы с углами при вершине клиньев, составляющих 75-80°, а вторая имеет прямоугольную форму и выполнена с площадью поперечного сечения, которая на 0,6-1% меньше площади поперечного сечения верхней вертикальной части полости.
Многоходовую механическую обработку заготовки на прокатном стане осуществляют при первоначальном и промежуточном подогреве и окончательном отжиге.
Ступенчатую многоходовую механическую обработку заготовки на прокатном стане осуществляют с поворотом заготовки вокруг продольной оси на угол 90° по часовой стрелке и с разворотом ее на 180° для каждой следующей ступени.
Ступенчатую многоходовую механическую обработку заготовки на прокатном стане осуществляют со степенью обжатия за одну ступень, исключающей появление на заготовке магистральных трещин.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство деформирования для получения заготовок в субмикрокристаллическом и наноструктурированном состоянии содержит рабочую часть с крестообразной полостью в виде пересекающихся в середине вертикальной и горизонтальной частей, а также верхний и нижний пуансоны, причем горизонтальная часть полости имеет закругленные сверху и снизу боковые торцы и по два расположенных сверху и снизу подпора клиновидной формы, выполненных с обеспечением площадей входных поперечных сечений горизонтальной части полости, которые на 2-10% меньше площади поперечного сечения вертикальной части полости.
Горизонтальная часть полости выполнена из двух частей, первая из которых ограничена сверху и снизу подпорами клиновидной формы с углами при вершинах клиньев, составляющими 75-80°, а вторая имеет прямоугольную форму и выполнена с площадью поперечного сечения, которая на 0,6-1% меньше площади поперечного сечения вертикальной части полости.
Устройство выполнено разборным.
Углы при вершинах клиновидных подпоров и боковые торцы горизонтальной части полости выполнены сверху и снизу закругленными радиусом, составляющим 0,2-0,3 диаметра вписанной в указанную часть полости окружности.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Предлагаемые способ и устройство позволяют осуществлять деформацию заготовок, имеющих первоначально различную геометрическую форму. Размещение заготовки в пресс-форме осуществляют таким образом, что при деформировании заготовка находится в замкнутом пространстве, и подпор ее боковых граней в середине вертикальной части устройства осуществляется 4 гранями. Деформационная обработка включает последовательное циклическое деформирование заготовки сжатием по высоте в замкнутом пространстве таким образом, что пластическое течение материала происходит в 2-х противоположных направлениях под углом 90° к направлению деформирующего усилия. Предлагаемое устройство имеет сверху и снизу горизонтальной части двухсторонний клиновидной формы подпор с закругленными углами при вершинах 75-80° клиньев, а боковые торцы закруглены для формирования при прессовании закругленных боковых торцов заготовки, что значительно облегчает переустановку образца для следующего цикла прессования. Все это позволяет производить за один цикл более интенсивную (на 6-10%) величину деформации, по сравнению с прототипом, а также уменьшить величину растягивающих напряжений, которые могут приводить к образованию боковых трещин.
Кроме того, учитывая, что площадь поперечного сечения горизонтальной полости на 0.6-1% меньше, чем площадь поперечного сечения вертикальной полости, а боковые закругленные торцы помогают сформировать торцы заготовки закругленными, за счет этого существенно улучшается технологичность процесса прессования, т.к. нет необходимости дополнительной механической обработки заготовки для осуществления следующего шага прессования, что экономит время и материальные затраты. Наличие закругленных углов у клиновидных подпоров способствует плавному пластическому деформированию заготовок при прохождении клиновидных подпоров и требует меньших усилий пресса. Такого результата удается получить благодаря работе на современном прессе, управляемым компьютером и позволяющем фиксировать во времени зависимость прилагаемого усилия от степени деформации.
Новым является то, что деформирование происходит одновременно с двух сторон в крестообразную полость через четыре клиновидных подпора горизонтального канала, что существенно увеличивает суммарную деформацию сдвига за один цикл прессования.
При переустановке заготовки для последующего этапа прессования осуществляется поворот заготовки вокруг продольной оси по часовой стрелке на 90° и разворот на 180° после каждого цикла прессования.
После первого цикла деформирования заготовка приобретает прямоугольную форму с закругленными торцами и готова для последующих циклов деформирования. Степень деформации в каждом отдельном цикле можно изменять за счет изменения высоты нижнего пуансона. Удаление деформируемой заготовки производят с помощью выталкивателя без разбора пресс-формы.
Данный способ позволяет получать за счет ИПД ультрамелкозернистую структуру обрабатываемого материала со средним размером зерна не более 0,2 мкм, что положительно сказывается на прочностных характеристиках материала. Для получения наноструктурированного состояния материала дополнительно проводят прокатку на валках с ручьями многогранной или полукруглой форм разного размера, что позволяет при малой степени деформации добиться упрочнения материала. Прокатка проводится с первоначальным подогревом 150-200°C, с промежуточным подогревом 200-220°C и окончательным отжигом при температуре 300-350°C в течение 1-2 часов. Величина конечной деформации может достигать 90%. В результате получаем упрочненные прутки многогранной или круглой форм в наноструктуртрованном состоянии.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1 представлен общий вид устройства и заготовки.
На фиг.2 представлен общий вид устройства и заготовки после деформации.
На фиг.3 показано извлечение заготовки из пресс-формы.
Представленное на фиг.1 устройство представляет пресс-форму (1), основание прессформы (2), верхнего и нижнего пуансонов (3), между которыми помещена заготовка (4), рабочая полость (5) с клиновидными подпорами (6), верхней и нижней плит пресса (7) и поддерживающими деформируемыми элементами (8). Цифрой (9) обозначены два нижних пуансона-вкладыша с закругленными клиновидными подпорами. Использование клиновидных подпоров при прессовании позволяет увеличить степень деформации на 6-10%. Выбор размеров поперечных сечений площадей клиновидных подпоров 2-10% обусловлен пластичностью используемых для деформирования материалов. Для сплавов с высокой пластичностью целесообразно соотношение площадей поперечных сечений выбирать по нижней границе интервала 2-10% для обеспечения эффективного подпора. Из нашего опыта получено, что для титана ВТ 1-0 оптимальным является 3-5% подпор.
На фиг.2 показано совмещение деформации средней части заготовки в стесненных условиях и деформации ее верхней и нижней частей в горизонтальную полость под углом 90°. При прохождении материала через клиновидные закругленные подпоры происходит более интенсивная пластическая деформация сдвига в области пересечения каналов, что существенно ускоряет измельчение структуры заготовки по всему объему, а это позволяет сократить число циклов прессования и, следовательно, уменьшить материальные затраты.
На фиг.3 представлено устройство для извлечения заготовки после деформации. Устройство устанавливается на кольцо-приемник (10), в которое выталкивателем (3) выдавливается заготовка (4), и пуансоны (9). Наличие боковых закругленных торцов и пуансонов-вкладышей (9) облегчает задачу освобождения заготовки из пресс-формы и не деформирует торцы заготовки при извлечении (торцы пуансонов и каналы пресс-формы обильно смазываются смазкой).
Способ осуществляется следующим образом.
Устройство помещается на основании и разогревается в муфельной печи до заданной температуры. Затем в устройство помещается заготовка и также нагревается до заданной температуры в течение 10-15 минут.
Соотношение высоты заготовки к ее диаметру (толщине) может достигать 4-5. Большее соотношение приводит к потере устойчивости заготовки при прессовании (заготовка гнется). Для равномерного прогрева заготовка при каждом цикле нагревалась с одной и той же скоростью. Скорость нагрева рассчитывалась по эмпирической формуле Доброхотова Н.Н.:
3/2
t=kD,
где t - время нагрева, час; D - диаметр (толщина) заготовки, k - коэффициент, равный 12,5 для низкоуглеродистой стали и 25 для высоколегированной стали (Технология конструкционных материалов. - М.: Машиностроение. - 1976, 664 с.). Затем заготовку подвергают интенсивной пластической деформации в полости устройства. Далее заготовка извлекается из полости устройства и переустанавливается путем поворота на 90°. Последовательность операций прессования осуществляется 3-4 раза при каждой температуре.
Таким образом, предложенные способ и устройство позволяют за счет совмещения метода свободной ковки в стесненных условиях в методе крестообразного прессования при многократном цикле получать большую степень деформации и, соответственно, большую степень однородности при измельчении получаемой структуры.
Изобретение поясняется следующим примером.
Заготовку из технически чистого титана марки ВТ 1-0, в виде прутка диаметром 20 мм и высотой 60 мм с однородной мелкозернистой структурой со средним размерам зерна, равным 15 мкм, подвергали интенсивной пластической деформации по описанному выше способу. Пластическую деформацию проводили на прессе при последовательном понижении температуры в интервале 500, 450, 400°C. Заготовка выдерживалась при заданной температуре 10-15 мин. При расчете скорости нагрева коэффициент k был принят равным 25, так как удельная теплоемкость титана в указанном интервале температур близка к высоколегированным сталям.
Нагретое устройство вместе с заготовкой и основанием помещалось между верхней и нижней плитами пресса. Затем заготовка подвергалась деформированию со скоростью 1,2 мм/сек. По окончании процесса деформирования устройство устанавливалось на кольцо-приемник, в которое посредством выталкивателя извлекались заготовка и пуансоны. Далее заготовка переустанавливалась в полость устройства путем поворота на 90° по часовой стрелке для следующего шага деформирования. Размер и объем рабочей полости можно регулировать с помощью размеров нижних пуансонов.
При одной и той же температуре заготовку деформировали несколько раз со сменой оси деформации. Накопленная логарифмическая степень деформации достигала e≥6. После деформационной обработки на прессе получали заготовку с субмикрокристаллической структурой со средним размером зерна не более 0,2 мкм. Применение закругленных клиновидных подпоров при многократном прессовании в крестообразную полость одновременно в двух противоположных направлениях позволяет уменьшить число циклов прессования на 15-25%, что позволяет сократить временные и материальные затраты. При прессовании необходимо тщательно смазывать рабочие полости для избежания появления задиров на поверхности заготовок. Наличие закруглений у клиновидных подпоров в горизонтальном канале существенно помогает улучшению пластического деформирования заготовки, а также решению проблемы смазки, так как позволяет равномерно распределить смазку в горизонтальном канале. Наличие закругленных торцов в горизонтальной полости позволяет получать заготовки после прессования с торцами закругленной формы, сразу же пригодными для следующих циклов прессования, что делает процесс более дешевым, быстрым и технологичным.
После окончания ИПД на прессе, заготовку извлекали из пресс-формы и охлаждали до 150-200°C, затем подвергали многоступенчатой прокатке на прокатном стане на валках с ручьями многогранной или полукруглой форм разного размера. Размеры многогранных или полукруглых ручьев рассчитаны так, чтобы обеспечивался плавный переход по степени деформации при переходе от большего размера ручья к меньшему размеру ручья. Только прокатка с небольшой степенью обжатия на каждом шаге позволяет более тщательно измельчать структуру материала. Прокатку необходимо проводить с регулярным поворотом заготовки вокруг продольной оси на 90 градусов по часовой стрелке и с разворотом на 180 градусов. Проведенные исследования зерен на просвечивающем электронном микроскопе показывали, что на этом этапе зерна дополнительно измельчаются примерно до 0,1 мкм и большей частью (до 60%) границы становятся болыпеугловыми границами. Для предотвращения преждевременного разрушения материала при прокатке степень обжатия за один проход экспериментально подбирается таким образом, чтобы не допустить формирования магистральных трещин в заготовке. Количество проходов определяется требуемой степенью деформации заготовки, которая может достигать до 85-90%. Фактически прокатку проводят при малых степенях обжатия, начиная с первого цикла прокатки. Промежуточный подогрев заготовки (при достижении степени деформации 45-50%) способствует интенсификации процесса деформирования и снижает остаточные напряжения. Использование специально сконструированных валков с многогранными или полукруглыми ручьями с грамотно рассчитанными размерами ручьев позволяет получать более интенсивную деформацию за один проход, так как обжатие образца происходит одновременно со всех сторон, что приводит к существенному упрочнению материала по сравнению с прототипом. За счет этого удается дополнительно сократить количество циклов прокатки и, следовательно, уменьшить энергоемкость процесса. В результате ИПД и прокатки с первоначальным и промежуточным подогревами при малых степенях обжатия получают заготовки металлов в наноструктурированном состоянии, которые обладают высокими прочностными характеристиками с сохранением достаточного уровня технологической пластичности.
Существенным недостатком полученных заготовок металлов является то, что они находятся в сильно напряженном состоянии. Для снятия внутренних напряжений была отработана оптимальная технология схемы отжига полученных заготовок. Для этого были проведены параметрические исследования по влиянию времени и температуры отжига на механические свойства материалов. Оказалось, что оптимальные результаты получаются при температурах отжига 250-350°C и времени отжига 1-2 часа. При таком оптимальном отжиге удается сохранить высокие прочностные характеристики материалов при сохранении достаточной пластичности с минимальным увеличением размера зерен (на 10-15%).
По окончании описанных выше процедур проводится контроль структуры и физико-механических свойств полученных прутков.
Механические характеристики титана ВТ1-0 после ИПД, прокатки и отжига представлены в таблице.
Таким образом, предложенные способ и устройство для получения материала заготовок в субмикрокристаллическом и наноструктурном состоянии, позволяют получить улучшенные механические свойства многогранных или круглых прутков, а также позволяют сократить временные и энергетические затраты для производства заготовок металлов за счет уменьшения количества проходов при прессовании и прокатке с использованием специальных валков с многогранными или полукруглыми ручьями разных размеров и форм, а применение оптимального отжига позволяет увеличить технологическую пластичность.
Состояние
Размер зерна, d, мкм
Микротвердость H<sub>µ</sub>, МПа
Предел прочности σ<sub>B</sub>, МПа
Предел текучести σ<sub>0,2</sub> МПа
Исходное ВТ1-0
10
1700
450
360
После деформации ВТ1-0 (прототип)
0,3
3000
650
610
После деформации, прокатки и отжига ВТ1-0
≤0,1
3350
1180
1130