Получение изделий с ультрамелкозернистой структурой методами интенсивной пластической деформации с целью повышения механических свойств металла и служебных характеристик металлических изделий

Спocoб cтруктурнoгo измельчения металлoв

Автoры: Паcечник Никoлай Ваcильевич, Сивак Бoриc Алекcандрoвич, Сергеев Алекcей Григoрьевич, Шухат Олег Михайлoвич

Изoбретение oтнocитcя к oблаcти oбрабoтки металлoв давлением, а именнo к технoлогиям получения полуфабрикатов и изделий c ультрамелкозерниcтой cтруктурой методами интенcивной плаcтичеcкой деформации (ИПД). Споcоб включает продавливание заготовки из приемного канала через примыкающий к нему деформирующий канал. Продавливание заготовки оcущеcтвляют c обеспечением знакопеременных сдвиговых деформаций в металле заготовки и с подпором заготовки с выходной стороны деформирующего канала. Деформирующий канал выполняют с последовательно расположенными наклонными участками и с расположенным вдоль продольной оси приемного канала конечным прямым участком. Наклонные участки наклонены в противоположные стороны относительно продольной оси приемного канала. Они имеют поперечное сечение, идентичное по форме и размерам поперечному сечению приемного канала. Площадь поперечного сечения конечного прямого участка меньше площади поперечного сечения упомянутых наклонных участков. В результате обеспечивается повышение механических свойств металлов и служебных характеристик металлических изделий и повышение технико-экономических показателей процессов ИПД. 2 ил.

Аналогами заявляемого изобретения являются схемы ИПД, описанные в докладе В.Л.Бережного «Анализ некоторых процессов интенсивной пластической деформации на соответствие промышленным условиям» на VIII Конгрессе «Кузнец-2008» (в сборнике: Состояние, проблемы и перспективы развития кузнечно-прессового машиностроения, кузнечно-штамповочного производства и обработки материалов давлением - основы машиностроительного комплекса и национальной безопасности России. - Рязань, Тяжпрессмаш, 2008, стр.225, рис.5). Эти схемы предусматривают продавливание металлических заготовок пуансоном из приемного канала прессовой оснастки через примыкающий к нему деформирующий канал. Форма и размеры поперечного сечения последнего идентичны поперечному сечению приемного канала, а продольная ось повернута относительно продольной оси этого канала на определенный угол. По этим признакам способ ИПД по подобным технологическим схемам получил название равноканального углового прессования (РКУП).

В процессе РКУП в зоне сопряжения приемного и деформирующего каналов металл заготовки претерпевает интенсивную сдвиговую деформацию в поперечном направлении, сопровождающуюся измельчением (дроблением) зерен его кристаллической структуры. Это позволяет получать полуфабрикаты с размером зерна 10100 нм, обладающие существенно улучшенными, в том числе уникальными, характеристиками. Во многих случаях для достижения нужного результата каждую заготовку подвергают нескольким циклам РКУП.

Наиболее близким к заявляемому изобретению аналогом, принятым в качестве его прототипа, является способ РКУП, представленный в упомянутом докладе В.Л.Бережного «Анализ некоторых процессов интенсивной пластической деформации на соответствие промышленным условиям» на VIII Конгрессе «Кузнец-2008» на стр.225, - рис.5д. Прототип содержит все основные признака описанных выше аналогов. Кроме того, по сравнению с ними для уменьшения зеренной неоднородности получаемой структуры и снижения вероятности образования трещин и других дефектов в обрабатываемом металле способ-прототип дополнен технологическим приемом подпора потока металла, продавливаемого через деформирующий канал, с выходной стороны последнего.

Прототипу настоящего изобретения, как и его аналогам, присущ ряд недостатков, препятствующих эффективному внедрению процесса РКУП в промышленную практику. Основным недостатком остается неоднородность зеренной структуры получаемых полуфабрикатов (особенно при одноцикловой обработке заготовок) вследствие анизотропии условий трения на стенках деформирующего канала и возникновения продольных сдвиговых деформаций. Другими недостатками являются снижение производительности обработки в многоцикловых ее вариантах, необходимость обточки заготовки перед каждым повторным ее выдавливанием для обеспечения возможности загрузки заготовки в приемный канал прессовой оснастки, опасность возникновения трещин и других дефектов металла. Недостатком способа-прототипа является также усложнение конструкции прессов для его осуществления из-за необходимости снабжения их подпорным устройством.

Основные цели заявляемого изобретения заключаются в существенном снижении неоднородности структуры получаемых полуфабрикатов, устранении трещинообразования в металле, повышении степени измельчения структуры металла и производительности процесса, исключение необходимости промежуточной обточки заготовок при многоцикловой их обработке, а также в упрощении конструкции прессов.

Устранение отмеченных недостатков прототипа и достижение перечисленных целей изобретения обеспечивается тем, что предлагаемый способ структурного измельчения металла заготовки методом углового прессования с получением в заготовке интенсивных пластических деформаций включает продавливание заготовки из приемного канала прессовой оснастки через примыкающий к нему деформирующий канал, при этом продавливание заготовки осуществляют с обеспечением знакопеременных сдвиговых деформаций в металле заготовки и с подпором ее с выходной стороны деформирующего канала, который выполняют с последовательно расположенными наклонными участками, наклоненными в противоположные стороны относительно продольной оси приемного канала и имеющими поперечное сечение, идентичное по форме и размерам поперечному сечению приемного канала, и с расположенным вдоль продольной оси приемного канала конечным прямым участком, площадь поперечного сечения которого меньше площади поперечного сечения упомянутых наклонных участков.

Преимущества предлагаемого способа заключаются в следующем.

Содержание в одном цикле обработки заготовки нескольких знакопеременных сдвигов повышает степень размельчения зерен металла за каждый цикл и однородность структуры получаемого полуфабриката. В результате сокращается необходимое для достижения нужного результата суммарное количество циклов обработки заготовки, а следовательно, повышается производительность процесса обработки. Наличие нескольких поворотов (изгибов) деформирующего канала создает дополнительный подпор потоку проталкиваемого через канал металла, что способствует исключению образования трещин и других дефектов. Создание основного подпора за счет сужения потока металла на выходном участке деформирующего канала устраняет необходимость механической обработки заготовок перед каждой повторной загрузкой их в приемный канал при многоцикловых вариантах процесса. Это также способствует сокращению трудоемкости последнего. Кроме того, примененные в изобретении способы создания подпора за счет формы самой технологической оснастки по сравнению со способом-прототипом, где подпор обеспечивается с помощью специальной гидравлической системы пресса, существенно упрощают конструкцию прессов.

За счет перечисленных преимуществ нового способа обеспечивается устранение описанных недостатков прототипа и достижение обозначенных целей изобретения.


Как показано на чертежах, приемный канал размещен в контейнере 1 прессовой оснастки. Примыкающий к выходу из этого канала деформирующий канал имеет два поворота (изгиба). Он состоит из двух последовательных участков, наклоненных в противоположные относительно продольной оси приемного канала стороны, и конечного прямого участка, расположенного по оси этого канала. Форма и размеры поперечного сечения наклонных участков канала идентичны форме и размерам сечения приемного канала. Площадь сечения конечного участка деформирующего канала уменьшена по сравнению с наклонными участками, благодаря чему обеспечено сужение канала. Наклонные участки деформирующего канала выполнены в расположенной под контейнером матрице 2, а прямой его участок - в примыкающей к ней снизу матрице 3. Последняя установлена на опоре 4, размещенной на неподвижной нижней траверсе 5 пресса. Опора имеет продольный односторонний вырез. На подвижной траверсе 6 пресса закреплен пуансон 7.

Процесс структурного измельчения металла по заявляемому способу с помощью представленной прессовой оснастки происходит следующим образом. Первоначально при поднятой подвижной траверсе пресса в приемный канал оснастки загружается первая заготовка 8. При рабочем ходе траверсы под действием пуансона заготовка проталкивается через деформирующий канал оснастки, преодолевая три знакопеременных поворота (включая поворот при входе в канал) и подвергаясь, таким образом, трехкратной сдвиговой деформации (фиг.1). В конце этой стадии процесса первая заготовка полностью заполняет весь объем деформирующего канала. Затем в приемный канал устанавливается новая заготовка 9. При последующем ходе траверсы эта заготовка целиком вытесняется пуансоном в канал, проталкивая через него предыдущую заготовку и выталкивая ее в расположенную под каналом опору в виде одного готового полуфабриката или заготовки для повторной обработки, которые затем удаляются из прессовой оснастки через вырез в опоре (фиг.2).

Возможны и другие конструктивные исполнения прессовой оснастки для реализации нового способа, в частности, с деформирующим каналом, имеющим более двух наклонных участков.

Предлагаемое изобретение позволит существенно повысить технико-экономические показатели процессов интенсивной пластической деформации металлов и сплавов методом углового прессования, что создаст, в свою очередь, благоприятную перспективу для широкого промышленного внедрения этих процессов.