УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для упрочнения и легирования взрывом и может быть использована для получения композиционных материалов с особыми физико-механическими свойствами.
Для получения новых материалов с уникальными свойствами часто используется энергия взрыва, например: при сварке разнородных материалов взрывом, синтезе композиционных керамических материалов и гидровзрывной штамповке давлением взрыва, упрочнении металлов взрывом и т.д. При высокоэнергетическом нагружении металлов потоками легирующего состава, ускоренных энергией взрыва получены объемные изменения структуры и свойств в металлических заготовках.
Для получения высокоскоростных потоков легирующего вещества необходимы устройства (ускорители), позволяющие разогнать поток до скоростей в сотни и тысячи м/с. Предлагаемое устройство является таким ускорителем.
Известно устройство для легирования металлов взрывом, включающее электродетонатор, заряд взрывчатого вещества, воздушную полость, направляющий канал, фиксирующее кольцо, порошковые частицы, образец [1]. Однако, известное устройство для легирования обеспечивает получение в изделиях упрочненных зон небольшого размера (диаметром 5-20 мм) с глубиной в несколько десятков миллиметров, с низкой равномерностью распределения вводимого вещества по глубине и в поперечном сечении, т.е. технологические возможности процесса легирования и упрочнения ограничены.
Известно, также устройство для легирования взрывом, включающее детонатор, контейнер с порошком, размещенный в объеме заряда взрывчатого вещества, недеформируемую регулирующую опору и контейнер с обрабатываемыми металлическими заготовками [2]. Такое устройство обеспечивает высокую производительность процесса легирования, но не обеспечивает равномерность легирования алюминиевых сплавов, не позволяет получить заданную геометрию легированного материала, т.е. не обеспечивает технологическую стабильность процесс легирования.
Известно устройство для легирования взрывом, включающее деформируемую регулирующую опору, контейнер для легирующего состава в форме трех состыкованных полусфер и заряд взрывчатого вещества [3]. Данное устройство обеспечивает равномерность распределения вводимых частиц в поперечном сечении, однако требует постоянной замены регулирующей опоры, а по глубине обрабатываемой металлической заготовки позволяет создать только три подобных участка распределения легирующего материала, что также ограничивает технологические возможности процесса легирования
Указанное устройство позволяет проводить обработку деталей за счет внедрения сгустка порошковых частиц, создаваемых продуктами взрыва. Легирование и измельчение структуры матричного материала осуществляется за счет деформационных процессов. Размещение обрабатываемой детали, например, из алюминиевого сплава вблизи фокуса кумулятивной порошковой струи может привести к ее серьезным повреждениям, в том числе и объемным сколам.
Еще одним недостатком является то, что устройство позволяет формировать высокоскоростную струю ограниченного продольного размера, что ограничивает глубину проникновения легирующего материала и технологические возможности измельчения и легирования за один технологический цикл.
Решением, наиболее близким к предложенному по технической сущности и принятым за прототип, является устройство для легирования взрывом, включающее электродетонатор, заряд взрывчатого вещества, металлическую облицовку кумулятивной выемки, насыпку порошка, регулирующую опору, обрабатываемую металлическую заготовку. Ускорители установлены на регулирующей опоре, через которую обеспечивается фокусировка и распределение потока вещества [4].
Указанное устройство имеет облицовку кумулятивной выемки, являющейся одновременно контейнером для порошковой смеси (легирующего вещества). Облицовка выполнена из металла (медь, алюминий, их сплавы) в форме трех состыкованных полусфер, в форме конуса или цилиндра, что накладывает существенные ограничения на глубину и поперечную равномерность проникания. После подрыва заряда корпус фокусирующей воронки формирует порошковую струю с легирующим веществом, которая имеет фокус примерно равный двум диаметрам выемки. При совмещении фокусной точки с поверхностью заготовки происходит ее повреждение макрократерами и разрушение за счет отколов, что требует дополнительной механической обработки и снижает технологические возможности процесса легирования.
Технической задачей полезной модели, является расширение технологических возможностей процесса легирования, в первую очередь повышения равномерности распределения микроударников по глубине и в поперечном сечении и повышения глубины процесса легирования; создание устройства для получения высокоскоростных пульсирующих потоков легирующего состава, что позволяет в зависимости от режима процесса производить объемное легирование металлических заготовок.
Предлагаемое устройство для динамического легирования содержит электродетонатор, оболочку заряда бризантного взрывчатого вещества, заряд взрывчатого бризантного вещества с кумулятивной выемкой, со вставленным внутрь герметичным металлическим контейнером с порошком, дно которого установлено на недеформируемой металлической регулирующей опоре. Технический результат достигается тем, что устройство для динамического легирования согласно полезной модели имеет в кумулятивной выемке герметичный металлический контейнер в форме цилиндра или конуса, поверхность которого имеет форму крупной резьбы, включая спиральный характер формы выступов и углублений по высоте, с отношением внешнего диаметра резьбы к внешнему диаметру конуса - 1,1-1,35 раз. Кроме того, ускорители установлены на регулирующую опору, внутренний диаметр которой больше внешнего диаметра металлического контейнера в данном поперечном сечении, что определяет фокусировку и распределение потока вещества. На поверхность заготовки из малопластичного металла или сплава, например, алюминиевого сплава АК-12, устанавливается защитная маска из конструкционной стали с толщиной 5-20 мм.
Выбор конусного металлического контейнера с поверхностью в форме крупной резьбы, с отношением внешнего диаметра резьбы к внешнему диаметру цилиндра или конуса - 1,1-1,35 раз обусловлен, как минимальным повреждением обрабатываемой поверхности, так наибольшей равномерностью распределения вводимых частиц в металлической заготовке.
Защитная маска из конструкционной стали с толщиной 5-20 мм обеспечивает исключение повреждений поверхности заготовок из меди, алюминия и их сплавов и дополнительной механической обработки поверхность заготовки.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство принципиально отличается, конструктивными особенностями, позволяющими достигнуть эффектов равномерного легирования металлической заготовки по глубине и в поперечных сечениях и минимального повреждения поверхностного слоя обрабатываемого материала. Наличие кумулятивной выемки, облицованной цилиндрическим или конусным металлическим контейнером, поверхность которого имеет форму крупной резьбы, включая спиральный характер формы выступов и углублений по высоте, с отношением в поперечном сечении внешнего максимального диаметра контейнера к внешнему минимальному диаметру контейнера - 1,1-1,35 раз, при этом устройство снабжено защитной маской из конструкционной стали толщиной 5-20 мм, установленной на поверхность обрабатываемой детали, позволяет существенно повысить технологичность формирования заданной формы контейнера, например, методом обкатки роликом, а также увеличить равномерность пульсаций порошкового сгустка в поперечном сечении и соответственно равномерность легирования в объеме металлического твердого тела.
Параметры устройства ускорителя с цилиндрическим или конусным герметичным металлическим контейнером, поверхность которого имеет форму крупной резьбы, определены на основе экспериментальных оценок введения легирующего вещества в металлическую заготовку и минимального разрушающего действия на детали. Наличие ускорителей с металлическим контейнером в виде цилиндра или конуса, поверхность которого имеет форму крупной резьбы, включая спиральный характер формы выступов и углублений по высоте, с отношением в поперечном сечении внешнего максимального диаметра контейнера к внешнему минимальному диаметру контейнера в поперечном сечении - 1,1-1,35 раз, позволяет производить объемную обработку металлических заготовок, увеличивая эффективность устройства для легирования при минимальных повреждениях, обеспечивая модификацию обрабатываемого материала. На поверхность заготовки из малопластичного металла или сплава, например, алюминиевого сплава АК-12, устанавливается защитная маска из конструкционной стали с толщиной 5-20 мм.
Анализ сферы применения данного устройства в условиях взрывной обработки материалов, показывает, что ускорители, входящие в предлагаемое устройство известны. Однако, при их применении с дополнительными изменениями в указанном конструктивном решении и другими элементами в заявляемом устройстве для обработки поверхности материалов, вышеуказанные ускорители проявляют новые свойства, что приводит к увеличению равномерности распределения вводимого легирующего порошка за счет наличия в устройстве ускорителей цилиндрического или конусного металлического контейнера, поверхность которого имеет форму крупной резьбы, включая спиральный характер формы выступов и углублений по высоте, с отношением внешнего максимального диаметра контейнера к внешнему минимальному диаметру контейнера в поперечном сечении - 1,1-1,35 раз, при этом устройство снабжено защитной маской из конструкционной стали толщиной 5-20 мм, установленной на поверхность обрабатываемой детали, позволяющие проводить обработку (легирование) деталей на заданные глубины с равномерным распределением вводимого порошка.
На фигуре 1 представлена схема устройства для динамического легирования.
Устройство для динамического легирования содержит электродетонатор 1, оболочку заряда бризантного взрывчатого вещества 2, заряд бризантного взрывчатого вещества 3, облицовку кумулятивной выемки заряда взрывчатого вещества - герметичный металлический контейнер 4, выполненный в виде цилиндра или конуса, поверхность которого имеет форму крупной резьбы, включая спиральный характер формы выступов и углублений по высоте, с отношением внешнего максимального диаметра контейнера к внешнему минимальному диаметру контейнера в поперечном сечении - 1,1-1,35 раз, заполненный порошковым материалом 5, дно металлического контейнера 6, регулирующую стальную опору 7, защитную маску 8, обрабатываемая деталь 9.
Устройство работает следующим образом. Для разгона потока легирующего состава до скоростей порядка 1-3 км/с, используется кумуляция энергии взрыва и воздействие ударных волн от зарядов взрывчатых веществ (ВВ), формируемых взрывным зарядом ускорителя 3, установленными на недеформируемой регулирующей опоре 7, при подрыве электродетонатора 1, срабатывает заряд ВВ 3, происходит концентрация энергии на герметичном металлическом контейнере 4, под воздействием высокого давления кумулятивная облицовка с порошком захлопывается и формируется ускоряющая струя порошкового дискретного материала. Стенки металлического контейнера 4 сжимают легирующий порошковый состав 5, который под действием импульса давления переходит в кумулятивную струю. Сформировавшаяся кумулятивная струя через регулирующую опору 7 фокусируется и направляется на защитную маску 8, а через нее в деталь 9.
Таким образом, экспериментальные исследования по легированию металлов показали, что по сравнению с прототипом, устройство имеет следующие преимущества:
- обеспечивает равномерное легирование детали из алюминиево-кремниевого сплава на глубины 26-180 мм, без ее повреждения, что расширяет технологические возможности обработки деталей сложной формы;
-сокращает трудозатраты по механической обработке, что позволяет повысить производительность в 1,4-1,8 раза.
Пример.
Порошковый состав: 20% SiC+40% Cu+40% Pb вводили в объем обрабатываемых заготовок диаметром 50 мм и длиной 200 мм из сплава Al-12%Si (АК12). Для обработки литой алюминиево-кремниевой заготовки использовали защитную стальную маску толщиной 10 мм. Из заготовки алюминиевого сплава вырезали продольные образцы с размерами: ширина 50 мм, длина 200 мм, толщина 5 мм, которые исследовали на глубину проникания и распределение в поперечном сечении. В качестве критерия оценки использовали концентрацию вводимого свинца. При этом при оценке глубины проникания и разброса вводимого материала в поперечном сечении обрабатываемого образца в качестве предельной концентрации Pb и Сu принимали значение 0,3 масс %. Результаты, полученные при испытаниях, представлены в таблице.
Как видно из данных, приведенных в таблице, техническая задача достигается в случае, когда отношение внешнего диаметра резьбы к внешнему диаметру цилиндрического или конического металлического контейнера составляет 1,1-1,35 раз.
Таблица 1.
Равномерность распределения легирующего вещества и глубина проникания при использовании устройства для динамического легирования
№ п\п
Отношение в поперечном сечении внешнего максимального диаметра крупной резьбы к внешнему минимальному диаметру контейнера
Количество витков на 100 мм длины контейнера
Глубина проникания, мм
Разброс концентрации легирующего вещества в поперечном сечении, %
1
1,05
2
22
37
2
3
107
33
3
6
145
31
4
1,1
2
27
28
5
3
120
18
6
6
180
16
7
1,22
2
35
25
8
3
120
15
9
6
180
14
10
1,35
2
26
27
11
3
120
17
12
6
180
15
13
1,4
2
17
36
14
3
100
32
15
6
130
31
Примечание 1. Матричный материала - сплав Al-12%Si (АК12). В диапазоне отношений диаметров 1,1-1,35 глубина проникания до 180 мм, равномерность распределения легирующего вещества от 14 до 28%.
Примечание 2. При использовании защитной стальной маски с толщиной 5-20 мм для обработки литых алюминиево-кремниевых сплавов разрушений заготовок не наблюдается. Без защитных масок доля поврежденных заготовок 90-96%. Повреждения реализовывались как макрократеры (каверны) или сколы на глубины до 12-67 мм.
Источники информации:
1. Петров Е.В. Воздействие на стали потока тугоплавких частиц, разогнанных энергией взрыва. Специальность 01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Россия. Черноголовка, 2010, рис.2.6.
2. Usherenko S.M. Method of strengthening tool material by penetration of reinforcing particles. Patent № US 7,897,204 B2, date of Patent: Mar. 1, 2011.
3. Ушеренко С.М. Сверхглубокое проникание частиц в преграды и создание композиционных материалов. Минск, 1998, рис.2.15.
4. Эффект сверхглубокого проникания. Современное состояние и перспективы. О.В.Роман, С.К.Андилевко, С.С.Карпенко и др. Инженерно-физический журнал. 2002, том 75, №4, с.с.187-200.