Анализ параметров полунепрерывной винтовой экструзии прутков из титановой губки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.7.01

А. С. Сынков

АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОЙ ВИНТОВОЙ ЭКСТРУЗИИ ПРУТКОВ ИЗ ТИТАНОВОЙ

ГУБКИ

В работе проведен анализ методов компактирования титановых заготовок из губки, представлены результаты полунепрерывного комбинированного процесса прессования губки в пруток. Проведен анализ технологических параметров, влияющих на усилие де-

формации.

В настоящее время единственным промышленным методом производства компактного титана и его сплавов из промежуточного продукта - губки является электродуговая плавка расходуемых электродов в вакууме или инертной среде [1]. Эффективность применения электродугового переплава во многом определяется способом и трудоемкостью изготовления расходуемых электродов. В большинстве опытных работ по выплавке слитков из титана и его сплавов указанным методом в качестве расходуемых электродов используются электроды, прессованные из губки.

В работе [2] производство электродов осуществляли методом холодного прессования губки на лабораторном гидравлическом прессе усилием 200 Т в глуходонной матрице. В качестве глуходонной матрицы применяли стальную трубу. После прессования трубу разрезали и полученные брикеты (диаметром 40-80 мм) извлекали из оболочки. Однако получить плотный брикет, а также сварить брикеты между собой в один цельный электрод не удалось.

Для получения электродов использовался метод холодного изостатического прессования [2]. Отработка технологии прессования осуществлялась с применением титановой губки марки ТГ-ШМ, которая находилась в эластичной оболочке. Давление на прессе холодного изостатического прессования составляло 160 МПа. Полученные расходуемые электроды имели правильную форму, плотность спрессованного материала была одинакова по всему объему. Недостатком данного метода прессования является малая стойкость эластичной оболочки при большой степени обжатия. В процессе прессования могут иметь место разрывы оболочки и попадание рабочей жидкости в тело электрода.

Известен способ получения электродов методом прямой экструзии. Способ выгодно отличается от предыдущих непрерывностью процесса, и позволяет получать длинномерные электроды, минуя сварку отдельных брикетов. Однако данному ме-

тоду присущи следующие недостатки:

- отсутствие равномерного распределения прочности и плотности по длине и сечению, что отрицательно влияет на процесс плавки;

- в процессе экструзии имеют место растягивающие напряжения в очаге деформации, которые приводят к образованию пор, трещин и в конце концов приводят к поперечным расслоениям брикета и его разрушению;

- загружаемые порции губки между собой не сцепляются, и для того чтобы добиться прочного сцепления необходимо дополнительно усложнять технологическое оборудование.

Хорошо известно, что сдвиг под давлением может приводить к интенсивному уплотнению порошковых материалов [3]. Отсюда возникает идея воспользоваться винтовой экструзией для уплотнения пористых заготовок, в частности, для получения плотных длинномерных прессовок из стружки.

Винтовая экструзия является одним из эффективных методов уплотнения порошковых и пористых материалов, так как сочетает в себе высокое давление и интенсивную пластическую деформацию. Суть ВЭ состоит в том, что призматическую заготовку продавливают через матрицу с винтовым каналом (рис. 1). Угол р наклона винтовой линии к направлению оси экструзии изменяется по высоте матрицы, причем на ее начальном и конечном уча-

Рис. 1. Схема канала матрицы для винтовой экструзии

© А. С. Сынков, 2007

- 142 -

В работе [4]показано,что в первом приближении, в процессе винтовой экструзии каждое материальное сечение компактной (беспористой) заготовки деформируется по схеме простого сдвига, подобно тому, как деформируется тонкий диск при обработке его методом кручения под высоким давлением [5]. При этом большую часть деформации за проход заготовка получает в узких зонах входа и выхода из винтового участка канала матрицы, причем в первой зоне осущест-вляется закручивание на некоторый угол в одном направлении, а во второй - на тот же угол в противоположном направлении.

Методика экспериментов

Для экспериментов использовали титановую губку марки ТГ90 фракцией 5......15 мм.

Деформацию проводили на установке для винтовой экструзии, собранной на базе гидравлического пресса силой 250 Т. Коэффициент вытяжки в конической матрице составил 2,5, угол матрицы 2а = 45°, начальная высота столба губки в контейнере составляла 50 мм, диаметр контейнера - 30 мм, высота калибрующего пояска конической матрицы - 30 мм. Угол наклона винтовой матрицы к оси деформации равен 45°, высота очага деформации винтовой матрицы - 35 мм, радиус наиболее удаленной точки сечения от центра профиля винтовой матрицы составлял 24 мм. Схема установки приведена на рисунке 2.

Перед началом деформации в контейнер 3 помещали предварительно скомпактированный брикет из титановой губки, который запрессовывали в очаг винтовой матрицы 4 до тех пор, пока нижний

торец пуансона 1 не достигал верхнего торца винтовой матрицы. Затем производили засыпку порции губки 2 высотой 50 мм, и, воздействуя на него пуансоном 1, начинали деформацию. В момент, когда впереди идущий брикет достигает конической матрицы 6, за счет деформации его прямой экструзией на материал, находящийся сверху, воздействует сила противодавления, которая позволяет предварительно уплотнить пористый материал в контейнере, а также ведет к полному заполнению материалом винтовой матрицы, что позволяет полностью проработать материал по сечению. Когда пуансон 1 достигает верхнего торца винтовой матрицы, операцию засыпки материала в контейнер повторяют. Таким образом, реализуется непрерывный процесс экструзии. Давление экструзии составило Р = 1400-1600 МПа. В результате был получен пруток диаметром 16 мм, представленный на рисунке 3.

Рис. 3. Титановый пруток, полученный полунепрерывной винтовой экструзией

Исследование силовых параметров процесса

Давление комбинированной экструзии равно:

Рис. 2. Установка для полунепрерывной винтовой экструзии

(1 + /м С^а)1п Х +1,56£ + 4Х /п

2 л/э лк ¿2

4ат

2ат

/ „ И

+ —р- + - .......

Эл/3 43 соя в К

(1)

Разделим на три компонента формулу (1): давление в контейнере, давление в винтовой матрице и давление в конической матрице. Давление в контейнере:

Р =СТт

—/Л

л/Э к

(2)

где - высота столба материала в контейнере; дк - диаметр канала контейнера; стт1 - предел прочности материала в контейнере.

Для того чтобы определить прочность материала в контейнере были проведены экспериментальные исследования одноосного прессования титановой губки. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Р

а- х

п.э

т

+

х

¡ЭБЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007

- 143 -

Таблица 1

№ заготовки Давление, МПа Плотность, г/см3 Относительная плотность, % Твердость, МПа ат1, МПа

1 320 2,786 62 900 300

2 400 2,823 63 900 300

3 480 2,911 65 910 300

4 570 2,913 65 1090 350

5 1500 2,913 65 1100 370

Известно [6], что прочность материала связана с его твердостью зависимостью стх = 0,34 ц. Экспериментально показано, что при одноосном сжатии титановой губки невозможно добиться плотности выше чем 65-70 %. Поэтому прочность материала в контейнере принимаем стх1 = 370 МПа.

Давление деформации в винтовой матрице:

4стт9 2СТт9 Рвэ = —Т2 tgв + —T2 х

/ Ь

3л/3

-Уз 008 Р Я

(3)

где стт2 - предел прочности материала в винтовой матрице;

Р - угол наклона винтовой линии матрицы к оси деформации;

f - коэффициент трения;

Ь - высота очага деформации винтовой матрицы:

R - радиус наиболее удаленной точки сечения от центра профиля.

Для определения прочности материала, находящегося в винтовой матрице, проведены эксперименты по деформации титановой губки методом винтовой экструзии с противодавлением. После деформации были получены образцы, в которых были измерены относительная плотность, которая составила 98,5-99 %, а также твердость, которая составила 1320-1350 МПА. Эксперименты показали, что образцы после винтовой экструзии имеют прочность массивного материала. И так как в винтовую матрицу входит материал с прочностью стт1 , а выходит с прочностью массивного материала, принимаем:

42 --\/ит1 хСТт(титана) . (4)

Давление деформации в конической матрице:

Рп.э. = °

тЗ

а ИД (1 + /м а№)Ы X +1,56^ — + /п

где сттЗ - предел прочности материала в конической матрице;

а - угол заходного конуса матрицы; X - коэффициент вытяжки; fм - коэффициент трения в заходном конусе матрицы;

fп - коэффициент трения в калибрующем пояс-

ке матрицы;

Ь1п - высота калибрующего пояска матрицы;

дп - диаметр калибрующего пояска матрицы.

Так как выше показано, что материал винтовой матрицы выходит с прочностью массивного материала, следовательно, в коническую матрицу он также попадает с максимальной прочностью. Поэтому атз = а ТиТана = 450 МПа.

Чтобы оценить коэффициент трения процесса, примем допущение, что трение на всем промежутке комбинированной деформации одинаково.

1к.э. = /к = /в.э. = /п.э.

Тогда, выражая коэффициент трения из формулы для давления комбинированной экструзии и принимая значение давления, полученное экспериментально, получим / = 0,26.

Таким образом, имея, вышеперечисленные данные, мы можем оценить давление комбинированной экструзии и использовать их для проектирования процессов и установок для получения длинномерных прутков из титановой губки.

Перечень ссылок

1. С.М. Гуревич, В.П. Дидковский, Ю.К. Новиков, Электрошлаковая выплавка слитков титановых сплавов // Автоматическая сварка. - 1963. - № 10. - С. 37-42.

2. Б.Е. Патон, Б.И. Медовар, В.Я. Саенко. Переплав губчатых титановых расходуемых электродов методами ЭШП и ДШП. // Проблемы СЭМ. - 1994. - №3-4. - С. 7-11.

3. Феноменологические теории прессования порошков / М.Б. Штерн, Г.Г. Сердюк, Л.А. Макси-менко и др. - Киев: Наук. думка, 1982. - 140 с.

4. Бейгельзимер Я.Е., Варюхин В.Н., Орлов Д.В., Сынков С.Г. Винтовая экструзия- процесс накопления деформации. - Донецк: ТЕАН, 2003.

- 85 с.

5. Бриджмен П.В. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. М.: Изд-во иностранной литературы, 1955. - 444 с.

6. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. 2-е изд. М.: «Металлургия», 1973.

- 224 с.

Поступила в редакцию 20.06.2007

а

У робот1 проведено анал1з методе компактування титанових загот1вок ¡з губки, представленiрезультати нап1вбезперервного комб1нованого процесу пресування губки в пруток. Проведено анал ¡з технолог1чних параметр1в, що впливають на зусилля деформацИ

Analysis of titanium billets compacting methods from titanium sponge was reported in the paper, results on semi-continuous combined process extrusion of the sponge into the bar were performed. Analysis of technological parameters that exert influence on the deformation effort was realized.

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007

- 145 -