Перспективы применения технологии «Валковая штамповка» для получения градиентных субмикрои наноструктурных материалов

5. Дмитриев А.М. Деформированное состояние заготовки при выдавливании полых цилиндрических деталей /' А.М. Дмитриев, Н.С. Муха-меджанов, А.Ж. Бадалян // Вестн. машиностроения. - 1987. - № 5,- С.63-65.

6. Дмитриев А.М. Технология ковки и объемной штамповки. Ч. 1. Объемная штамповка выдавливанием: учебник для вузов. / А.М. Дмитриев,

A.Л. Воронцов. - М.: Машиностроение-1, 2005. - 500 с.

7. Воронцов А.Л. Технологические задачи теории пластичности. Т. 2. / А.Л. Воронцов. - М.: Машиностроение-1, 2006. - 397 с.

Получено 23.04.08

УДК 621.787.4

B.А. Голенков, С.Ю. Радченко, Д.О. Дорохов

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ «ВАЛКОВАЯ ШТАМПОВКА» ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ СУБМИКРО- И НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рассмотрены основные методы получения субмикро- и наноструктурных материалов обработкой давлением. Дан анализ перспективы применения технологии «валковая штамповка» в качестве метода получения градиентных субмикро- и наноструктурных материалов.

Применение того или иного материала в конструкциях, изделиях, приборах определяется в первую очередь его физическими характеристиками. Основными параметрами, отвечающими за механическое поведение, являются прочность и пластичность. Выбор оптимального соотношения между данными показателями определяет пригодность материала в конструкции. Рационализация соотношения прочности и пластичности для металлов возможна путем разработки сплавов с новым химическим и фазовым составами, а также за счет целенаправленного формирования микро-, субмикро- и нанокристаллической структуры.

Одним из наиболее эффективных способов достижения субмикро-кристаллического и нанокристаллического состояния материалов методами обработки давлением является интенсивная пластическая деформация (ИПД) [1]. Исследования показывают, что материалы, подвергнутые ИПД, обладают в ряде случаев уникальными физико-механическими свойствами. Структурные элементы таких материалов имеют размеры 10 - 100 нм (нано -) и 100 - 1000 нм (субмикро-), что по порядку сопоставимо с характеристической длиной различных физических явлений (длиной свободного пробега электронов для электрокинетических явлений, размером петли Франка - Рида для скольжения дислокаций, размером домена для магнитных явлений [2]).

Для создания нано- и субмикрокристаллических структур в объемных образцах в настоящее время используют целый ряд процессов: кручение под высоким давлением, кручение в составном контейнере под давлением, всестороннюю ковку, песочные часы, повторяющееся рифление -выпрямление, принудительное рифление прессованием, накапливающееся соединение прокаткой, равноканальную угловую экструзию, равноканальную многоугловую экструзию, винтовую экструзию, уширяющую экструзию, пакетную гидроэкструзию [1,2]. Создать структуры в поверхностных слоях заготовки можно с помощью деформирующего протягивания и трения [3], а также процессов поверхностной пластической деформации [4].

В настоящее время наиболее известны две технологии получения заготовок с наноструктурными состояниями материала: равноканальное угловое (РКУ) прессование [1] и кручение под высоким давлением [5].

Конструкция установки (рис.1), в которой проводится деформация кручением под высоким давлением, является развитием идеи наковальни Бриджмена. В первых опытах эти установки были использованы для изучения изменения структуры и температуры рекристаллизации после больших деформаций и исследования фазовых превращений. Заготовка 1 помещается между бойками 2 и сжимается силой Р (несколько ГПа). Затем один из бойков приводится во вращение, что заставляет образец деформироваться сдвигом за счет силы поверхностного трения. Таким образом, основной объем материала деформируется в условиях квазигидростатиче-ского сжатия: с одной стороны под действием приложенной силы к бойку, с другой - за счет давления со стороны внешних слоев образца. В результате деформируемый образец, несмотря на большие степени деформации, не подвергается разрушению.

Рис. 1. Схема установки для деформации кручением под высоким

давлением: 1 - заготовка; 2 - бойки

Способ, реализующий деформацию массивных образцов простым сдвигом, был разработан В.М. Сегалом в 70-х годах. Данный метод создавал возможность повторного пластического деформирования материалов без изменения поперечного сечения. В 90-х годах Р.З. Валиевым с соавторами данный способ был развит и впервые применен как метод ИПД для получения структур с субмикрокристаллическим и нанокристаллическим

Р

размером зерен. Экспериментам подвергались заготовки с круглым или квадратным поперечным сечением. Результатом применения такой технологии является получение металлических заготовок цилиндрической формы с диаметром до 60 мм и высотой до 100 мм с однородной по объему макроструктурой с размерами зерен до 300 - 100 нм.

При РКУ прессовании (рис. 2) заготовка 3 неоднократно продавливается под действием пуансона 1 в специальной оснастке 2 через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающимися под углом 2ф (обычно 90°). В случае труднодеформируемых материалов деформация осуществляется при повышенных температурах.

Р

\3

Рис. 2. Схема РКУ прессования: 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - заготовка

В процессе РКУ прессования для структурообразования важным является число проходов заготовки через каналы. Определяющую роль также играют маршруты прессования (ориентация заготовки относительно своей оси по переходам). В экспериментальных работах применяют различные маршруты (ориентация остается неизменной при каждом проходе): после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 90° или после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 180°. Данные схемы различаются направлениями сдвига при повторных проходах заготовки через пересекающиеся каналы, что приводит к формоизменению сферической ячейки в теле заготовки в ходе процесса. [1]

Представляет также интерес процесс винтовой экструзии (рис.З), предложенный в 1999 г Я.Е. Бейгельзимером. Суть его в том, что призматическую заготовку продавливают через матрицу с винтовым каналом. Угол наклона винтовой линии к направлению оси экструзии изменяется по высоте матрицы, причем на ее начальном и конечном участках он равен нулю. Особенности геометрии канала матрицы приводят к тому, что при прохождении через нее сохраняются форма и размеры обрабатываемой заготовки, это и позволяет осуществлять ее многократную экструзию с целью накопления больших степеней деформаций. [2]

Рис. 3. Схема винтовой экструзии

Повышению механических характеристик в материалах, подвергнутых ИПД, способствует фрагментация зерен металла, что подтверждается соотношением Холла - Петча [6]. Таким образом, для получения материалов с субмикро- и нанокристаллической структурой необходимо накопить в заготовке достаточный уровень деформации. Прессование, прокатка, волочение позволяют осуществить большие пластические деформации, но в данных способах происходит монотонное формоизменение заготовки (например, постоянное увеличение длины при прокатке и волочении). Монотонность приводит к тому, что хотя бы в одном из направлений размер становится чрезвычайно малым [1,2]. В таких процессах неминуемо образование текстур [7], что ведет к малой разориентировке зерен [7,8]. Отсюда возникает необходимость использования немонотонных процессов, основной целью которых является накопление деформации в заготовках, а не их формоизменение [2]. Следовательно, формированию нано- и субмикрок-ристаллических структур способствуют следующие технологические факторы: обработка по схеме простого сдвига, большие градиенты тензоров скоростей деформации и поворота, высокие давления в очаге деформации.

Описанные методы ИПД создают нано- и субмикрокристалличе-ские структуры по всему сечению изделия. Однако наиболее нагруженными частями конструкций и деталей являются зачастую поверхностные, контактирующие с внешними нагрузками слои. Поэтому актуальной является задача создания технологии, позволяющей формировать отдельные локальные области в изделии с требуемой шруктурой. Перспективным становится применение технологии «валковая штамповка» как метода, позволяющего получать изделия с градиентной субмикро- и нанокристаллической структурой.

Метод, получивший название «валковая штамповка» (ВШ), был разработан в Орловском государственном техническом университете. Технология ВШ (рис. 4) основана на совмещении в едином технологическом процессе операций объемной штамповки (осадки, прошивки) и локального деформирования (поперечной прокаткой или обкаткой) [9, 10]. Пуансон или осаживающая траверса 2 при ВШ непрерывно воздействуют на деформируемый участок заготовки 3, тогда как валки (ролики) 1 создают

дискретное нагружение локального характера, периодически чередующееся с разгрузкой.

Формоизменение заготовки 1 производят в роликовой матрице, включающей вращающийся упор 4, ролики 3, пуансон 2. Причем пуансон

2 и упор 4 вращаются совместно с заготовкой 4 с угловой скоростью ©2, а вращение роликов осуществляется с угловой скоростью со}, связанной с 2 через соотношение диаметров роликов и детали. Во время выполнения

операции пуансон 2 совершает рабочий ход вниз со скорость V, производится прошивка с одновременным обкатыванием заготовки 1 роликами 3 до полного формообразования детали. ВШ успешно применяют для получения сплошных и полых деталей, сверхтонкостенных и толстостенных изделий. Методами ВШ возможно получение деталей малых размеров, применяемых в приборостроении, крупных - для машиностроительной или авиационной промышленности. Изделия имеют высокие точность и качество изготовления при технологической силе, на порядок меньшей, чем для традиционных методов объемной штамповки. [9]

3

Рис. 4. Схема валковой штамповки: 1 - заготовка; 2 - пунсон;

3 - валки (ролики); 4-упор

При рассмотрении ВШ как метода ИПД очевидна его немонотонность, а благодаря локализации деформируемого объема можно получить высокие давления в очаге деформации. При модернизации метода (например, при многократном возвратно-поступательном перемещении роликов) возможно получение больших градиентов тензоров скоростей деформации и поворота. Однако в ходе ВШ невозможно достичь равномерной деформации по всему объему из-за локальности и комплексности приложенных нагрузок. Сложная схема нагружения не позволяет создать чисто сдвиговые деформации. Перспектива создания способов ИПД на основе ВШ - получение материалов с градиентной субмикро- и нанокристалличе-ской структурой. Работы по исследованию ВШ как метода ИПД требуют разработки новых схем, математических моделей процесса, создания оснастки, экспериментальной проверки формирования требуемых структур.

Библиографический список

1. Валиев Р.З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией / Р.З. Валиев, И.В.Александров. - М.: Логос, 2000.-271 с.

2. Винтовая экструзия - процесс накопления деформации / Я.Е. Бей-гельзимер [и др.]. - Донецк: ТЕАН, 2003. - 87 с.

3. Розенберг O.A. Механика взаимодействия инструмента при деформирующем протягивании / O.A. Розенберг. - Киев: Наукова думка,

1981.-288 с.

4. Макушок Е.М. Теоретические основы процессов поверхностного пластического деформирования / Е.М. Макушок, Т.В. Калиновская, С.М. Красневский. - Минск: Наука и техника, 1988. - 184 с.

5. Головин Ю.И. Наноматериалы и нанотехнологии: справочник // Инж. журн.: приложение. - № 1. - 2006. - 26 с.

6. Полухин П.И. Физические основы пластической деформации / П.И. Полухин, С.С. Горелик, В.К. Воронцов. - М.: Металлургия,

1982.-584 с.

7. Теория образования текстур в металлах и сплавах. - М.: Наука, 1979.-243 с.

8. Структура межкристаллитных и межфазных границ. - М.: Металлургия, 1980. - 256 с.

9. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением / В.А. Голенков [и др.]. - М: Машиностроение,2004. - 464 с.

10. Голенков В.А. Технологические процессы обработки металлов давлением с локальным нагружением заготовки / В.А. Голенков,

С.Ю. Радченко. - М.: Машиностроение, 1997. - 226 с.

Получено 23.04.08

УДК 621.983; 539.374

Е.Ю. Поликарпов

ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОТЖИГА НА ТЕКСТУРУ ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВА ПТ-ЗВкт

Изложены результаты экспериментальных исследований влияния длительности отжига на текстуру листов из сплава ПТ-ЗВкт. Установлено, что при увеличении длительности отжига при температуре 650 °С в листах из сплава ПТ-ЗВкт наблюдаются изменения текстуры, способствующие усилению благоприятных для многооперационной вытяжки ориентировок. Работа выполнена по гранту РФФИ (№ 07-01-00041).

В настоящее время сплавы на основе титана все шире применяются в изделиях, работающих при криогенных температурах. Одним из пер-