CC BY
55
УДК 621. 778
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КРИОГЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ НА ЭВОЛЮЦИЮ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕДИ
1 2 2 3
Лежнев С.Н. , Волокитина И.Е. , Курапов Г.Г. , Кнапиньски М.Я.
1 Карагандинский государственный индустриалъныйуниверситет, Казахстан;
2Казахский национальный техническийуниверситет имени К.И. Сатпаева, Казахстан;
3
Ченстоховский политехническийуниверситет, Польша.
Введение
Одной из актуальных задач металлургии и машиностроения является повышение физико-механических свойств изделий и полуфабрикатов. Решение таких задач лежит в области создания высокоэффективных технологий с применением современных и передовых методов обработки [1].
В последние годы были проведены многочисленные исследования, направленные на увеличение прочностных характеристик металлов и сплавов путем получения наноразмер-ных кристаллитов с помощью интенсивной пластической деформации (ИПД). Как известно, сочетание прочности и пластичности является необходимым условием для разработки качественной перспективной металлопродукции. В этой связи достижение очень высокой прочности и пластичности в металлах и сплавах, подвергнутых ИПД, открывает пути создания принципиально новых материалов. Большинство работ по получению таких материалов проведено с использованием метода равноканального углового прессования (РКУП). Метод РКУП не позволяет достичь экстремальных степеней деформации, как, например, при кручении под квазигидростатическим давлением, но его несомненным преимуществом является возможность получения объемных заготовок. Это преимущество позволяет изучать не только структуру, сформированную при ИПД, но и механические свойства материалов при растяжении и сжатии.
Несмотря на все свои преимущества, процесс РКУП до сих пор не реализован в промышленных масштабах и его исследование носит сугубо лабораторный характер. Также данный метод достаточно сложен технологически и до настоящего времени имеет очень ограниченное применение в прикладных технологических задачах. Поэтому поиски путей получения высокопрочных металлических материалов с применением относительно простых технологий является актуальной задачей данной работы.
Использование новых способов физико-механического упрочнения и пластической деформации позволит в промышленности экономить дорогостоящие материалы за счет замены их менее дорогими, но имеющими субультрамелкозернистую структуру и повышенный уровень механических и эксплутационных свойств и уменьшить энерго- и трудозатраты.
Таким образом, актуальность темы работы связана с более глубоким пониманием теоретических представлений и практических аспектов методов ИПД со структурообразованием и с возможностью значительного расширения области применения промышленных технически чистых металлов и сплавов за счет создания передовых технологических процессов получения субультрамелкозернистых полуфабрикатов и изделий с качественно новым уровнем физико-механических свойств.
Материал и методика исследования
Материалом исследования является техническая медь марки М1. Образцы квадратного сечения 15x15x70 мм подвергали РКУП в обычной ступенчатой матрице [2] с углом стыка каналов 125° и в ступенчатой матрице с таким же углом стыка каналов, но с промежуточной
и закалочной камерой, оснащенной системой для циркуляции азота, располагающихся после выходного канала матрицы (рис. 1). В обоих случаях РКУП осуществлялось по маршруту Вс с кантовкой заготовки на 90° вокруг продольной оси [3]. Трение между инструментом и заготовкой снижалось применением пальмового масла в качестве лубриканта.
Рис. 1. Равиокаиальная ступенчатая матрица новой конструкции: 1 - матрица, имеющая три канала одинакового поперечного сечения, два из которых (входной и выходной) параллельны друг другу, а средний канал расположен под углом к входному и выходному каналам;
2 - промежуточная камера; 3 - закалочная камера; 4 - система циркуляции азота; 5 - запорные элементы, 6 - термоизоляционный материал
Деформирование проводилось при комнатной температуре, так как при повышении температуры РКУП возможно развитие процесса деформационно-стимулированного роста зерен во время деформирования.
На первой стадии экспериментов изучали влияние криогенного охлаждения при циклическом деформировании заготовок в предлагаемой конструкции равноканальной ступенчатой матрицы (РСМ), как уже отмечалось выше, снабженной промежуточной и закалочной камерой с системой для циркуляции азота. Прессование в предлагаемой конструкции РСМ осуществляется следующим образом. Заготовка задается в приемный канал матрицы, которая при помощи пуансона проталкивается последовательно в наклонный промежуточный, а затем в выходной канал. После того, как пуансон полностью продавит заготовку в приемном канале, в матрицу задается следующая заготовка, которая передним концом выталкивает предыдущую заготовку из матрицы в промежуточную камеру, которая снабжена двумя запорными элементами, что позволяет реализовать процесс двухзонной загрузки. После чего заготовка попадает в закалочную камеру, где происходит интенсивное охлаждение заготовки и непосредственно закалка. Извлечение заготовки осуществляется при открывании нижней запорной крышки.
Вторую партию медных заготовок деформировали в обычной РСМ при температуре 25 °С. В обоих случаях количество проходов через каналы РСМ составляло 4.
Подготовка шлифов для металлографических исследований осуществлялась по стандартной методике. Обработанные образцы были изучены, используя оптический микроскоп
Leica, снабженный микротвердомером. Все образцы были исследованы в средней плоскости образца, чтобы избежать влияния периферийных областей. Получаемые образцы рассматривались в двух сечениях: поперечном и продольном.
Результаты исследований
На рис. 2 показаны оптические фотографии микроструктуры исходной меди, как видно из фотографии, структура деформированной меди имеет большое количество двойников. В исходном состоянии средний размер зерна меди составлял 120 мкм; микротвердость -580 МПа.
Для оценки эффективности РКУП и воздействия криогенного охлаждения необходимо сравнить микроструктуру медных сплавов до и после деформирования. Фотографии микроструктуры, полученные при изучении сплава М1 после 4-х циклов прессования при различных условиях охлаждения представлены на рис. 3.
Рис. 2. Оптическая фотография исходной микроструктуры меди
Рис. 3. Оптические фотографии микроструктуры меди после 4 циклов РКУП в ступенчатой матрице: а - охлаждение азотом; б - без охлаждения азотом
На оптическом микроскопе Leica, оборудованном микротвердомером, были произведены испытания на определение микротвердости (рис. 4). Результаты определения микротвердости и диаметра зерна медного сплава М1 дои после РКУП представлены в таблице.
Рис. 4. Определение микротвердости меди
Результаты определения микротвердости по Виккерсу и диаметра зерна для сплавов М1 до и после 4-х циклов РКУП
Вид обработки Микротвердость, МПа Средний диаметр зерна,
мкм
Исходная 580 120
РКУП 1010 15
РКУП+азот 1050 6
Обсуждение полученных результатов
Металлографический анализ меди после РКУП в ступенчатой матрице показал, что на начальной стадии прессования исходные зерна ориентируются под углом к оси образца, но при этом субструктура исходных зерен плохо вытравливается. В результате проведения РКУП в ступенчатой матрице в обоих случаях происходит заметное уменьшение размеров зерен после каждого цикла деформирования и уже после четвертого цикла деформирования структура медного сплава представляла собой частично ячеистую, частично полигонизован-ную структуру.
Результаты исследования эволюции микроструктуры медного сплава М1 в ходе РКУП в ступенчатой матрице при различных условиях охлаждения и микротвердости по Виккерсу показали, что:
- в исходном состоянии медный сплав имел микротвердость, равную 580 МПа и средний диаметр зерна 120 мкм;
- при деформировании медного сплава в известной конструкции РСМ для прессования микротвердость после 4 циклов РКУП составила 1010 МПа, а средний диаметр зерна -35 мкм;
- при деформировании медного сплава в предлагаемой конструкции РСМ для прессования, обеспечивающем криогенное охлаждение заготовки, микротвердость после 4 циклов РКУП составила 1150 МПа, а средний диаметр зерна - 6 мкм.
Из этих данных мы видим, что микроструктура меди после прессования в предлагаемой конструкции РСМ, обеспечивающей криогенное охлаждение заготовки, получается более
мелкозернистой, а также обеспечиваются более высокие значения микротвердости медного сплава.
Вывод
В целом, проведенные исследования показали, что основной процесс измельчения структуры, вне зависимости от механизма пластичности, происходит в момент протекания пластического течения металла, а в дальнейшем происходит закрепление образовавшейся структуры. Сам факт уменьшения конечного зерна в случае попадания образца после обработки в условия быстрого охлаждения (закалка жидким азотом) свидетельствует о том, что процесс пластичности осуществляется через физико-химическое превращение металла с перекристаллизацией.
Список литературы
1. Рааб Г.И. Развитие научных основ технологии интенсивной пластической деформации и создание оборудования по схеме равноканального углового прессования для получения ультрамелкозернистых металлических полуфабрикатов: автореф. дис. ... докт. техн. наук: 05.16.05: защищена 19.11.2009 / Рааб Георгий Иосифович. Уфа, 2009. 36 с.
2. Устройство для обработки металлов давлением: пат. 2181314 Рос. Федерация / Г.И. Рааб, Г.В. Кулясов, В.А. Полозовский, Р.З. Валиев. 2002.
3. Нано- и микрокристаллические материалы, полученные методами интенсивного пластического деформирования: учеб.-метод. материалы по программе повышения квалификации / В.Н. Чувильдеев, О.Э. Пирожникова, М.Ю. Грязнов и др. Нижний Новгород. 2006.
УДК 621:771.23-022.532:621.785
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛИРУЕМОЙ ПРОКАТКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ*
Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Алексеев Д.Ю.
ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия
Контролируемая прокатка представляет собой высокотемпературную обработку низколегированных сталей и предполагает определенное сочетание основных параметров деформации: температуры нагрева и конца прокатки, суммарной степени деформации, скорости охлаждения и т.д.
Одной из главных ее целей является получение в готовом прокате мелкозернистой структуры, обеспечивающей одновременное сочетание прочностных и пластических свойств.
В процессе контролируемой прокатки можно выделить несколько стадий, но наиболее продолжительной из них, особенно при прокатке небольших партий листов, является такой процесс, как межфазное охлаждение, поскольку падение температуры раската на спокойном воздухе варьируется в пределах 0,1-2 °С/с. Соответственно, на его остывание до температуры начала чистовой стадии прокатки приходится достаточно большой промежуток вре-
* Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 02.G25.31.0105).
