СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ИЗ ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТИТАНА ВТ1-0
METHOD FOR PROCESSING WORKPIECES MADE OF TECHNICALLY PURE TITANIUM VT1-0

Изобретение относится к области обработки заготовок, изготовленных из технически чистого титана ВТ 1-0 и сплавов на его основе, и может быть использовано в автомобильной и аэрокосмической промышленности, где титановые сплавы нашли широкое применение. Титановые сплавы достаточно трудоемки при обработке, поэтому затраты на их обработку значительно выше в сравнении с большинством других конструкционных металлов. В частности, большинство титановых сплавов трудно поддаются деформации при комнатной температуре, поэтому снижение энергозатрат становиться все более актуальной проблемой.
Существуют различные технологии предварительной обработки изделий перед процессами пластического деформирования, которые направлены на пластификацию металла и, как следствие, снижение энергозатрат при металлообработке. Исследования в области улучшения энергоэффективности производства деталей посредством внешних энергетических воздействий подтверждаются такими техническими решениями, как:
2
2
- «Способ повышения механической устойчивости и прочности листовых заготовок из алюминий-магниевых сплавов с использованием эффекта электропластической деформации», RU №2624877 C22F 1/047, опубл. 16.05.2017. Способ включает механическую обработку заготовки с одновременным пропусканием постоянного электрического тока плотностью от 30 А/мм до 50 А/мм для подавления полосообразования и прерывистой деформации с одновременным увеличением прочности сплава.
2
- «Электрофизический способ повышения прочности и механической устойчивости листовых заготовок из алюминий-магниевых сплавов», RU №2720289 МПК C22F 1/047, C22F 3/00, опубл. 28.04.2020. Способ обработки листовых заготовок промышленных алюминий-магниевых сплавов включает механическую обработку заготовки давлением с одновременным пропусканием импульсного электрического тока. Пропускают через заготовку импульсный электрический ток с частотой следования 800 Гц прямоугольных импульсов, амплитудой 30-34 А/мм, длительностью 1 мс, вызывающего джоулев нагрев заготовки не более чем на 1°С.
Недостатками представленных технологий является временная пластификация материала, соизмеримая с длительностью токового импульса, в результате чего, повторяющиеся импульсы тока создают прерывистую пластическую деформацию материала. Недостатком также являются существенные энергозатраты на создание токов достаточно большой плотности. Обеспечение технологических операций требует громоздкого и дорогостоящего оборудования.
Известен также способ регулирования ресурса работы изделий, изготавливаемых из поликристаллической меди марки М006, эксплуатирующихся в условиях ползучести (RU №2616742 МПК C22F 1/08, опубл. 18.04.2017). Способ повышения долговечности изделия из поликристаллической меди, работающего в условиях ползучести, включает определение относительного изменения скорости ползучести изделия на линейном участке кривой ползучести, при этом замедляют процесс ползучести путем воздействия на изделие постоянным магнитным полем от 0,05 до 0,6 Тл.
Так как медь и сплавы на ее основе по магнитным свойствам относятся к классам диамагнетиков, становится невозможным применение данной технологии в том виде, в котором она представлена, использовать на сплавах титана. Ползучесть является частным видом пластической деформации, приводящая к разрушению материала при постоянной нагрузке, что также не позволяет применять предложенный способ для пластификации материала, как предварительный этап подготовки изделия к дальнейшим технологическим операциям.
Поскольку технический титан ВТ1-0 по своим магнитным свойствам относится к классу парамагнетиков, наиболее близким к заявляемому является способ изменения скорости ползучести изделия из алюминия, работающего в условиях ползучести (RU №2502825 МПК C22F 3/02, C22F 1/04, опубл. 27.12.2013). Ускорение или замедление процесса ползучести осуществляют путем воздействия на изделие постоянным магнитным полем, при этом замедление проводят воздействием магнитным полем с индукцией 0,15-0,3 Тл, а ускорение - воздействием магнитным полем с индукцией 0,01-0,15 Тл. Изобретение позволяет управлять скоростью ползучести технически чистого алюминия в интервале от 55% до 54%, это дает возможность изменять долговечность изделий из алюминия, работающих в условиях ползучести.
Недостатком прототипа являются слишком малая индукция магнитного поля 0,01-0,3 Тл. Как показали лабораторные исследования при индукциях магнитного поля менее 0,3 Тл титан марки ВТ1-0 не испытывает изменений прочностных характеристик, и, как следствие это не позволяет использовать данный способ для уменьшения микротвердости изделий из технического титана ВТ1-0.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении энергоэффективности производства заготовок из технически чистого титана ВТ1-0 и сплавов на его основе методами пластической деформации за счет пластификации посредством магнитно-полевых воздействий, для получения пониженной микротвердости.
Существующая техническая проблема реализуется способом уменьшения микротвердости технически чистого титана ВТ1-0 для дальнейшей обработки методами пластической деформации. Способ включает воздействие на заготовку из технически чистого титана ВТ1-0 постоянным магнитным полем с индукцией от 0,3 до менее 0,5 Тл и временем выдержки в магнитном поле от 1 до 2 ч.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения заключается в уменьшении нагрузки на оснастку при дальнейшей обработке заготовок методами пластической деформации, за счет уменьшения микротвердости поликристаллического технического титана, предварительно помещенного под воздействие постоянного магнитного поля с индукцией от 0,3 до менее 0,5 Тл на 1-2 часа, после чего заготовка становится пластичнее на 2,9-8,33%.
Предлагаемый способ проиллюстрирован графиками, изображенными на чертеже, где представлены зависимости относительного изменения микротвердости заготовок от индукции магнитного поля и от времени выдержки в магнитном поле: а - индукция магнитного поля 0,3 Тл; 6 -индукция магнитного поля 0,4 Тл; в - индукция магнитного поля 0,49 Тл.
Установлено, что величина изменения микротвердости заготовок из технически чистого титана ВТ0-1 зависит от величины индукции магнитного поля и от времени выдержки в нем. Проведенная серия лабораторных исследований показала, что воздействие магнитным полем приводит к снижению значения микротвердости технического титана с последующей ее релаксацией до исходного значения.
Для количественной оценки влияния магнитного поля на изделие использовали понятие относительного изменения микротвердости «Q», вычисления проводились по соотношению:
0
где HV - значение микротвердости образца, выдержанного в магнитном поле, HV - исходное значение микротвердости.
Характеристика пластичности, определенная методом микроиндентирования по Виккерсу, определяется по соотношению:
где HV - значение микротвердости, Е - модуль Юнга,
υ - коэффициент Пуассона (Мильман, Ю.В. Характеристика пластичности, определяемая методом индентирования / Ю.В. Мильман, С.И. Чугунова, И.В. Гончарова // Вопросы атомной науки и техники. - 2011. - №4. - С. 182-187).
В результате обработки постоянным магнитным полем с индукцией от 0,3 до менее 0,5 Тл и временем выдержки от 1 до 2 часов изменяется параметр пластичности титана марки ВТ 1-0.
Относительное изменение микротвердости (Q) от времени воздействия магнитным полем для различных значений индукции магнитного поля приведено в таблице.
Способ реализуют следующим образом.
При помощи электромагнита, имеющего возможность регулирования протекающего по катушкам тока, создается постоянное однородное магнитное поле. Заготовка помещается в постоянное магнитное поле, с заранее настроенной индукцией, на определенные промежутки времени, а именно 1 час; 1,5 часа; 2 часа для каждого значения индукции магнитного поля. После выдержки в магнитном поле заготовка попадает в технологическую цепочку, где посредством методов интенсивной пластической деформации (ковка, волочение, штамповка, прокатка и т.д.) формируется конечная форма и размеры готового продукта.
Пример 1 использования изобретения.
Заготовку из технического титана помещают в постоянное магнитное поле с индукцией 0,3 Тл, выдерживают в течение 1 часа, затем проводят обработку методами пластического деформирования.
В результате лабораторных исследований было установлено, что при данном режиме обработки постоянным магнитным полем микротвердость заготовки из технически чистого титана ВТ1-0 уменьшается на 2,9%.
Пример 2 использования изобретения.
Заготовку из технического титана помещают в постоянное магнитное поле с индукцией 0,49 Тл, выдерживают в течение 2 часов, затем проводят обработку методами пластического деформирования.
В результате лабораторных исследований был установлен оптимальный режим обработки постоянным магнитным полем - при 0,49 Тл и времени выдержки в магнитном поле 2 часа, наблюдается максимальное уменьшение микротвердости изделия на 8,5%, с последующей релаксацией до исходного значения за время порядка 25 часов.
С помощью металлографических исследований было установлено, что технический титан марки ВТ1-0 не испытывает структурных изменений при выдержке в постоянном магнитном поле.
Для выбора подходящих режимов, необходимых для достижения нужного результата предлагается пользоваться таблицей, где представлены все значения магнитного поля и времени выдержки, при которых наблюдается снижение микротвердости заготовки из технического титана.
Положительный результат изобретения достигается за счет того, что заготовка, помещенная в поле постоянного магнита с индукцией от 0,3 до менее 0,5 Тл, становится пластичнее на 2,9-8,33%, что позволяет снизить нагрузку на оснастку при дальнейшей обработке заготовок методами интенсивной пластической деформации.