СПОСОБ ДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ В ВИДЕ ПРУТКА
METHOD OF DEFORMATION PROCESSING OF METAL ROD-LIKE WORKPIECE

Изобретение относится к деформационной обработке металлов с изменением их физико-механических свойств, в частности к деформационной обработке длинномерных заготовок в виде прутка. Может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении, в медицине при изготовлении полуфабрикатов.
Известны способы обработки металлов с целью повышения их свойств, в частности для получения ультрамелкозернистой структуры, обеспечивающей улучшение физико-механических характеристик. Например, способ деформирования заготовок в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах (см. В.М.Сегал, В.И.Копылов, В.И.Резников «Процессы пластического структурообразования металлов». - Минск: Навука и тэхника), 1994, с.26) позволяет упрочнять металл в процессе обработки за счет достижения высокой интенсивности накопленной деформации сдвига.
Известен способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок (патент РФ №2175685, МПК C22F 1/18, B21J 5/00, опубл. 10.11.2001.), который включает пластическую деформацию в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с подпором в последнем, причем пластическую деформацию проводят при понижении температуры в интервале 500-250°С, с накопленной логарифмической степенью деформации е≥4, после чего осуществляют термомеханическую обработку чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом.
Однако известные способы не позволяют обрабатывать длинномерные заготовки в виде прутков и имеют низкую производительность.
Известен способ непрерывного равноканального углового прессования длинномерных заготовок, реализуемый в устройстве, содержащем приводное рабочее колесо с калибром, колодку со вставкой и упор, выполненные с рабочими поверхностями, образующими канал прессования, высота которого регулируется (патент РФ №2345861, МПК B21J 5/06, опубл. 10.02.2009 г.)
Известен также способ непрерывного равноканального углового прессования металлов (US №7152448, МПК В21С 3/00, опубл. 26.12.2006 г.), который включает подачу цельной металлической заготовки в виде прутка в один конец пропускного канала, образованного между окружной канавкой вращающегося диска и неподвижной ограничивающей основой, окружающей вращающийся диск, продвижение заготовки за счет сил трения и вращения диска в направлении к выпускному отверстию, выполненному в ограничивающей основе с возможностью осуществления равноканального углового прессования (РКУП). Этот способ принят в качестве прототипа.
Данный способ обеспечивает интенсивную деформацию сдвига методом РКУП длинномерных прутков, что приводит к формированию в них ультрамелкзернистой структуры, приводящей к повышению физико-механических характеристик.
Однако известный способ, так же, как и предыдущий, не обеспечивает дальнейшего повышения механических свойств при уровне накопленной деформации е≥4 в связи с затуханием процесса измельчения структуры и стабилизацией плотности дислокации.
Задачей изобретения является повышение механических свойств материала заготовки за счет более интенсивного измельчения структуры при достижении требуемого сечения обрабатываемой заготовки.
Поставленная задача решается способом деформационной обработки металлической заготовки в виде прутка, включающим подачу заготовки в рабочий канал, образованный между вращающимся диском со сплошной окружной канавкой и неподвижной ограничивающей основой, окружающей часть длины кольцевой канавки, причем на выходе рабочего канала обеспечивают изменение его направления посредством опорной детали, установленной в кольцевой канавке, а посредством вращения диска обеспечивают продвижение заготовки по рабочему каналу в направлении его выхода, осуществляя при этом непрерывное равноканальное угловое прессование (принятое в технике название схемы - «РКУП - Конформ») без значительного изменения поперечного сечения заготовки, в котором в отличие от прототипа указанное угловое прессование заготовки осуществляют поэтапно, с последовательным уменьшением поперечного сечения рабочего канала на каждом этапе, причем заготовка перед каждым последующим этапом равноканального углового прессования «Конформ» подвергается формообразующей пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации обрабатываемого материала
Согласно изобретению межэтапную формообразующую пластическую деформацию можно осуществлять прокаткой, или волочением, или ковкой.
Согласно изобретению количество циклов равноканального углового прессования каждого этапа обработки ≥1.
Предложенное изобретение позволяет использовать различные способы пластической деформации, сочетание которых обеспечивает последующее упрочнение материала заготовки за счет дополнительной деформации, приводящей к дальнейшему измельчению структуры.
Межэтапная формообразующая пластическая деформация (МФПД) при температуре ниже температуры рекристаллизации, позволяет предотвратить снижение достигнутых в результате РКУП механических свойств материала, обеспечивает дополнительное измельчение структуры, повышение плотности дислокации. Одновременно достигается требуемая геометрия поперечного сечения прутка для последующего этапа РКУП.
Однако МФПД прокаткой или волочением, или ковкой, является квазимонотонной обработкой, которая приводит к высокой анизотропии механических свойств за счет формирования острых текстур и большого коэффициента анизотропии формы зерен. Это отрицательно сказывается на пластичности материала. А последующий этап РКУП, реализуя немонотонный процесс, обеспечивает изотропную структуру материала прутка и соответственно более высокие пластические характеристики.
Способ осуществляют следующим образом.
Металлическую заготовку в виде прутка подвергают непрерывному равноканальному угловому прессованию путем подачи ее на вход рабочего канала, образованного между вращающимся диском со сплошной окружной канавкой и неподвижной ограничивающей основой, окружающей вращающийся диск и покрывающей часть длины канавки. Другой конец рабочего канала, отдаленный от его входа, заблокирован опорной деталью со стороны окружной канавки и имеет выпускное отверстие через ограничивающую основу. Поперечное сечение выпускного отверстия главным образом равно поперечному сечению рабочего канала, так что сечение деформируемой заготовки остается неизменным. Посредством вращения диска и возникающих между канавкой и заготовкой сил трения обеспечивают продвижение заготовки через рабочий канал в направлении к выпускному отверстию, осуществляя при этом непрерывное равноканальное угловое прессование «Конформ». Для достижения необходимой степени деформации обработку осуществляют за один или более одного циклов РКУП «Конформ». Таким образом, осуществляют первый этап прессования, в результате которого происходит предварительное измельчение структуры заготовки до ультрамелкозернистого состояния. Последующую пластическую деформацию прокаткой, или ковкой, или волочением осуществляют с целью дополнительного измельчения структуры и уменьшения поперечного сечения заготовки для осуществления следующего этапа РКУП с меньшим сечением рабочего канала. Второй и последующие этапы прессования проводят аналогично выше описанному первому этапу. При этом выбор вида промежуточной пластической деформации, осуществляемой между этапами РКУП, зависит от технико-экономической целесообразности, а выбор режимов обработки зависит от свойств обрабатываемого металлического материала.
Пример
Исходным материалом служил горячекатаный пруток технически чистого титана Gr4 диаметром 12 мм со средним размером зерен 50 мкм и пределом прочности на растяжение 750 МПа. На первом этапе обработки пруток был подвергнут двум циклам непрерывного равноканального углового прессования по схеме «конформ» на оснастке с квадратным поперечным сечением рабочего канала 11×11 мм. В результате был получен пруток квадратного сечения 11×11 мм, получивший суммарную деформацию е=1,5. Затем волочением его сечение было уменьшено до диаметра 10 мм, в результате чего пруток получил дополнительную деформацию е=0,7. На втором этапе пруток диаметром 10 мм был подвергнут двум циклам равноканального углового прессования по схеме «конформ» на оснастке с квадратным поперечным сечением рабочего канала 9×9 мм, при этом величина накопленной деформации составила е=1,5. Режимы обработки поэтапного РКУП с промежуточным формообразующим волочением и полученные механические свойства приведены в таблице.
Для сравнения была проведена обработка прутка диаметром 10 мм из такого же материала методом РКУП по схеме «Конформ» с количеством циклов, равным 4 (см. таблицу).
Режимы обработки и достигаемые характеристики
1 этап РКУП-К ⌀ 12→11×11 мм
Волочением с квадрата 11×11→⌀ 10 мм
2 этап РКУП-К ⌀ 10→9×9 мм
РКУП-К 4 цикла ⌀ 10→9×9 мм
Предел прочности, МПа
850
910
1100
950
Пластичность, δ%
15
13
12
12
Температура, °С
140
140
140
140
Истинная накопленная деформация, е
1,5
0,7
1,5
3
Средний размер зерен, нм
510
330
220
270
Данные, приведенные в таблице, показывают, что многоэтапная обработка по предложенному способу приводит к более высоким значениям прочности при сохранении пластичности за счет формирования более измельченной структуры и большей доли высокоугловых границ зерен.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить механические свойства обрабатываемого материала за счет более интенсивного измельчения структуры при достижении требуемого сечения заготовки.