CC BY
5
_ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.И. Галкин
УДК 621.73
001: 10.24412/0321-4664-2024-1-42-48
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГИБРИДНЫХ ДЕТАЛЕЙ ТИПА КРОНШТЕЙН МЕТОДОМ ОСАДКИ С КРУЧЕНИЕМ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКОЙ
Нгуен Хань Тоан1, аспирант, Павел Александрович Петров1, канд. техн. наук, доцент,
Игорь Андреевич Бурлаков1,2, докт. техн. наук, профессор
Московский политехнический университет, Москва, Россия, e-mail: [email protected] 2Производственный комплекс «Салют» АО «ОДК», Москва, Россия
Аннотация. Приведен метод изготовления биметаллических гибридных заготовок из титанового сплава ОТ4-1 и бронзы хромистой БрХ0,8 с применением осадки вращающимся инструментом с последующей горячей деформацией в открытом штампе на гидравлическом прессе. Приведены результаты металлографического исследования полученного полуфабриката.
Ключевые слова: титановый сплав ОТ4-1; бронза хромистая БрХ0,8; гибридная заготовка; горячая объемная штамповка; модель сопротивления деформации; компьютерное моделирование; осадка с кручением
Manufacturing of Hybrid Bracket-Type Parts Using the Torsional Upsetting Followed by Hot Die Forging. Postgraduate Student Nguyen Khanh Toan1, Cand. of Sci. (Eng.), Associate Professor Pavel A. Petrov1, Dr. of Sci. (Eng.), Professor Igor A. Burlakov1,2
1Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
2 Salyut Machine-Building Production Association (NPC Salyut), Moscow, Russia
Abstract. A method to manufacture bimetallic hybrid blanks from OT4-1 titanium alloy and BrKh0.8 chromium bronze using upsetting with a rotating tool followed by hot deformation in an open die made on a hydraulic press is presented. The results of metallographic studies of the resulting semis are shown.
Keywords: OT4-1 titanium alloy; BrKh0.8 chromium bronze; hybrid blank; bimetallic blank; hot die forging; strain resistance model; computer simulation; torsional upsetting
Введение
Гибридные (составные) заготовки, полученные сочетанием крутящего момента и давления, как показано в работах [1-3], обеспечивают высокое качество. Одним из процессов обработки металлов давлением (ОМД), позволяющим изготовить составную заготовку [1, 3], является осадка с кручением, теория и технология которой разработана и исследована В.Н. Субичем и его учениками [4]. Данный процесс занимает промежуточное положение между традиционными
процессами ОМД (ковка, штамповка, прокатка) и процессами локальной ротационной обработки давлением, классификация которых предложена в работе В.А. Матвийчука и И.С. Алиева [5]. В данной классификации выделяют третью группу - штамповка обкатыванием. К процессам этой группы относят сферодвижную штамповку (формоизменение в торец невращающейся заготовки), торцовую раскатку (формоизменение вращающихся сплошных и кольцевых заготовок цилиндрическим или коническим валком с его по-
Рис. 1. Схема процесса осадка с кручением:
а - осадка с кручением монозаготовки; б - осадка с кручением гибридной (составной) заготовки
дачей вдоль оси заготовки) и валковую штамповку (формоизменение цилиндрических заготовок путем одновременного действия на нее радиальных и осевых нагрузок) [5]. При валковой штамповке перемещение пуансона позволяет создать осевую нагрузку на заготовку, а радиальная нагрузка формируется за счет обкатки ее боковой поверхности в роликах либо валках [6].
В отличие от валковой штамповки, процесс осадки с кручением выполняется между плоскими инструментами, один из которых неподвижный, а второй перемещается, создавая осевую и радиальную нагрузки на заготовку. За счет осевой нагрузки Р обеспечивается уменьшение высоты заготовки; за счет радиальной нагрузки (крутящего момента М) - увеличение ее диаметра (рис. 1).
Особенностью успешной реализации процесса осадки с кручением является необходимость отсутствия проскальзывания на контактной поверхности инструмента с торцами исходной осесимметричной цилиндрической заготовки как верхнего, так и нижнего. В случае сжатия пакета из двух заготовок в процессе осадки с кручением на поверхности контакта двух исходных заготовок (см. рис. 1, б, поверхность А) выделяется значительное количество тепла и повышается температура за счет теплового эффекта пластической деформации и контактного трения. Как следствие, на границе происходит формирование неразъемного соединения пластической деформацией [7, 8].
Метод осадки с кручением рационально использовать для соединения разнородных материалов пластическим деформированием, которые не могут быть соединены традиционными способами. Стоит отметить, что крутящий момент и осевая нагрузка, которые являются двумя критическими параметрами для данного процесса, оказывают существенное влияние на прочность соединения гибридных заготовок [9].
Оптическая микроскопия сварных швов, результаты которой показана в работе [10], привела к гипотезе о том, что основной механизм соединения возникает из-за разрушения поверхностных слоев и сваривания при последующем контакте. Более поздние исследования трещин холодных сварных швов на сканирующем электронном микроскопе подтвердили эту гипотезу [11], показав, что подготовка поверхности перед холодной сваркой имеет первостепенное значение. При подготовке поверхности механической зачисткой образуется твердый хрупкий поверхностный слой, который растрескивается при расширении. При большем расширении поверхности обнажается первичный материал, который вы-
Местное истончение загрязняющей пленки
Рис. 2. Модель механизма соединения при холодной сварке:
а - поверхность, обработанная щеткой; б - экструзия первичного материала; в - связи [13]
Рис. 3. Разновидности детали кронштейн
давливается через трещины поверхностного слоя и встречается с аналогичным обнаженным участком поверхности противоположного металла. Механизм соединения при холодной сварке схематично показан на рис. 2 [12].
Исследования [12] показали, что механическая зачистка заготовок создает поверхность, состоящую из относительно толстого, твердого и хрупкого покровного слоя (приблизительно 20 мкм) и из поверхности, покрытой загрязняющей пленкой оксидов (см. рис. 2, а). Соединение на этих участках происходит, когда пленка загрязняющих веществ размером порядка 10-100 нм истончается до разрушения в результате деформации.
Применение сформированных соединений различных материалов трением широко распространилось в транспортной, авиационной, автомобильной [14] и строительной промышленности. Одной из распространенных деталей, часто используемых в машиностроении и других областях, является кронштейн (рис. 3).
Учитывая перспективность применения гибридных деталей в машиностроении, цель работы заключалась в изготовлении деталей типа кронштейн из гибридной (составной) заготовки методом горячей объ-
емной штамповки и в оценке качества изделия методом металлографического контроля.
Материалы и методы исследования
Исходные заготовки цилиндрической формы были изготовлены из титанового сплава марки ОТ4-1 (диаметром 28 мм и высотой 25 мм) и медного сплава марки БрХ0,8 (диаметром 30 мм и высотой 9,5 мм) методом электроэрозионной резки. Гибридную заготовку составляли из двух исходных заготовок в пакет, который подвергали осадке с кручением при температуре 600 °С на модернизированном гидравлическом прессе модели ДБ-2432 силой 1,6 МН [4]. Предварительный нагрев осуществляли в электрической печи СНОЛ-2,5.4.1,4/11-И 1. Процесс осадки был выполнен в следующей последовательности:
1) сборка гибридной заготовки из двух заготовок (А - БрХ08 и Б - ОТ4-1);
Заготовка А О = 30 мм А = 9,5 мм
Гибридная заготовка
Осадка с кручением
Рис. 4. Схема осадки с кручением заготовок БрХ0,8 и ОТ4-1
Рис. 5. Модель полуфабриката детали типа кронштейн в программе ОРогт:
а - температура, °С; б - интенсивность напряжения, МПа
2) осадка гибридной заготовки по схеме осадка с кручением до высоты 8,5 мм на специализированном прессе (рис. 4) при скорости перемещения пуансона 1 мм/с и скорости вращения 12 об/мин;
3) полученные осадкой с кручением заготовки нагревали до 900 °С и подвергали штамповке.
Полученные штамповкой заготовки разрезали электроэрозионным методом и исследовали в плоскости разрезки на бинокулярном микроскопе Olympus Delta c увеличениями 100 и 500.
Моделирование
Для моделирования процесса изготовления гибридной заготовки осадкой с кручением применяли программный комплекс QForm 10.2.4. Реологические характеристики сплавов БрХ0,8 и ОТ4-1, необходимые для моделирования, были получены ранее и приведены в работах [3, 15].
Результаты и обсуждение
Моделирование операции осадки позволило установить, что максимальная сила составляет 1,02 МН, которая не превышает возможностей применяемого оборудования, а температура в зоне контакта в конце процесса составляет 110 °С. По завершению моделирования процесса осадки с кручением выполнена операция штамповки полученных заготовок. С помощью программы при температуре заготовок 900 °С получена модель полуфабриката детали кронштейн (рис. 5).
С учетом результатов моделирования были изготовлены натурные гибридные полуфабрикаты детали кронштейн. Как видно из рис. 6 и 7, данный метод изготовления позволяет получать заготовки с равномерным покрытием
Рис. 6. Гибридная заготовка, полученная методом осадки с кручением
Рис.7. Полуфабрикат детали кронштейн, полученный штамповкой гибридной заготовки
поверхности заготовки из титанового сплава качество соединения двух составных заготовок
ОТ4-1 слоем медного сплава БрХ0,8.
(рис. 8). Область их контакта просматривается
Результаты исследования микроструктуры только после травления, что говорит о высоком в сечении полуфабриката показывают хорошее качестве диффузионной сварки. Размер зерен
а б
Рис. 8. Микроструктура в сечении полуфабриката до травления (а) и после (б), *100
Рис. 9. Места замера твердости
Х200
Х500
Рис. 10. Контактная зона заготовок. Сканирующий электронный микроскоп
Таблица 1 Результат замера твердости заготовок
Номер точки Твердость НУ0,1
1 93-94
2 106-112
3 411-425
4 349-354
5 250-259
6 232-245
7 234-240
8 246-251
9 236-240
10 248-252
11 238-243
12 227-234
13 236-240
14 232-236
15 227-232
Атомный процент меди
30 40 50 60 70 Массовый процент меди
Рис. 11. Бинарная фазовая диаграмма И-Оы [16]
Таблица 2 Количественный микроанализ полуфабриката титан - бронза в области соединения (% мас.)
Спектр Т1 Си Состав по диаграмме состояния титан-медь (см. рис. 11)
1 26,27 73,73 ТЮи2
2 25,72 74,28 ТЮи2
3 6,10 93,90 ТЮи4
4 40,73 57,69 Т12Си
5 40,67 57,87 Т12Си
6 31,26 68,74 ТЮи2
7 96,67 - Т1
8 26,78 73,22 ТЮи2
9 10,69 89,31 ТЮи4
10 3,06 96,94 Си
11 26,48 73,52 ТЮи2
составляет «30-50 мкм. Замер твердости заготовок был проведен на местах, представленных на рис. 9. Из результата замера видно, что твердость в переходной зоне составляет 390400 НУ (табл. 1, точки 3 и 4).
Результаты количественного микроанализа в зоне контакта образцов показывают, что в зоне контакта отсутствуют пустоты, а в переходной зоне образуются металлические фазы ТЮи2, Т120и и ТЮи4, которые обеспечивают надежное соединение металлов (рис. 10, 11, табл. 2).
Выводы
1. Применение метода осадки с кручением и последующей горячей штамповкой позволяет получить гибридную заготовку из двух различных материалов (титановый сплав ОТ4-1 и медный сплав БрХ0,8). Из результата исследования микроструктуры видно, что заготовка имеет высокое качество соединения.
2. Исследования микроструктуры полученного полуфабриката позволило установить образование в переходной зоне металлических фаз ТЮи2, Т120и и ТЮи4, которые обеспечивают надежное соединение металлов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петров П.А., Бурлаков И.А., Нгуен Хань ^ан, Во Фан Tхань Дат. Получение гибридных заготовок из титанового сплава ОТ4-1 горячей осадкой с кручением // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023 (в печати).
2. Петров П.А., Фам В.Н., Бурлаков И.А., Нгуен X.T. Формообразование гибридных заготовок из алюминиевых сплавов осадкой с кручением // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2023. № 3. С. 10б-112.
3. Петров П.А., Нгуен X.T., Бурлаков И.А. Осадка с кручением как метод изготовления гибридных заготовок // Труды конференции. XXVIII Международная научно-техническая конференция «Машиностроение и техносфера XXI века». 2021. С. 419-423.
4. Субич В.Н., Демин В.А., Шестаков H.A., Власов А.В. Штамповка с кручением. М.: МГИУ, 200В. 3В9 с.
5. Матвийчук В.А., Алиев И.С. Совершенствование процессов локальной ротационной обработки давлением на основе анализа деформируемости металлов. Краматорск: ДГМА, 2009. 2бВ с.
6. Голенков В.А., Дмитриев A.M., Кухарь В.Д., Радчен-ко С.Ю., Яковлев С.П., Яковлев С.С. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением. М.: Машиностроение, 2004. 4б4 с.
7. Wang Yiran, Gao Yimin, Li Yefei, Zhai Wenyan, Sun Liang, Zhang Chao. Review on Preparation and Application of Copper-Steel Bimetal Composites // Emerging Materials Research. 2019. № В(4). P. 1-14.
8. Аркулис Г.Э. Совместная пластическая деформация разных металлов. М.: Металлургия, 1964. 271 с.
9. Носков Ф.М., Квеглис Л.И., Лесков М.Б. Структу-рообразование в зоне контакта металлов при совместной пластической деформации. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2019. 200 с.
10. McEwan K.J., Milner D.R. Pressure Welding of Dissimilar Metals // British Welding Journal. 1962. № 9. P. 406-420.
11. Cave J.A., Williams J.D. The Mechanisms of Cold Pressure Welding by Rolling // Journal Institute of Metals. 1973. № 101. P. 203-207.
12. Bay N. Mechanisms Producing Metallic Bonds in Cold Welding // Welding Research Supplement. 1983. № 62. P. 137-142.
13. Mori K., Bay N., Fratini L., Micari F., Tekkaya A.E. Joining by plastic deformation // CIRP Annals. 2013. № 62(2). P. 673-694. DOI: 10.1016/j.cirp.2013.05.004
14. Buffa G., Fratini L., Hua J., Shivpuri R. Friction Stir Welding of Tailored Blanks: Investigation on Process Feasibility // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2006. № 55(1). P. 279-282.
15. Нгуен Хань Тоан, Петров ПА., Бурлаков ИА., Во Фан Тхань Дат. Анализ реологических моделей титанового сплава ОТ4-1 при различных режимах деформации // Технология легких сплавов. 2023. № 1. С. 80-88.
16. Elrefaey A., Tillmann W. Solid state diffusion bonding of titanium to steel using a copper base alloy as interlayer // Journal of materials processing technology. 2009. Vol. 209. № 5. P. 2746-2752.
REFERENCES
1. Petrov P.A., Burlakov I.A., Nguyen Khan Toan, Vo Fan Tkhan Dat. Polucheniye gibridnykh zagotovok iz titano-vogo splava OT4-1 goryachey osadkoy s krucheniyem // Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhniches-kogo universiteta im. G.I. Nosova. 2023 (v pechati).
2. Petrov P.A., Fam V.N., Burlakov I.A., Nguyen Kh.T. For-moobrazovaniye gibridnykh zagotovok iz alyuminiyevykh splavov osadkoy s krucheniyem // Problemy mashino-stroyeniya i nadezhnosti mashin. 2023. № 3. S. 106-112.
3. Petrov P.A., Nguyen Kh.T., Burlakov I.A. Osadka s krucheniyem kak metod izgotovleniya gibridnykh zagotovok // Trudy konferentsii. XXVIII Mezhduna-rodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya «Mashinostroyeniye i tekhnosfera XXI veka». 2021. S. 419-423.
4. Subich V.N., Demin V.A., Shestakov N.A., Vlasov A.V.
Shtampovka s krucheniyem. M.: MGIU, 2008. 389 s.
5. Matviychuk V.A., Aliyev I.S. Sovershenstvovaniye protsessov lokal'noy rotatsionnoy obrabotki davleni-yem na osnove analiza deformiruyemosti metallov. Kramatorsk: DGMA, 2009. 268 s.
6. Golenkov V.A., Dmitriyev A.M., Kukhar' V.D., Radchenko S. Yu., Yakovlev S.P., Yakovlev S.S. Spetsial'nyye tekhnologicheskiye protsessy i oboru-dovaniye obrabotki davleniyem. M.: Mashinostroyeniye, 2004. 464 c.
7. Wang Yiran, Gao Yimin, Li Yefei, Zhai Wenyan, Sun Liang, Zhang Chao. Review on Preparation and Application of Copper-Steel Bimetal Composites // Emerging Materials Research. 2019. № 8(4). P. 1-14.
8. Arkulis G.E. Sovmestnaya plasticheskaya deforma-tsiya raznykh metallov. M.: Metallurgiya, 1964. 271 s.
9. Noskov F.M., Kveglis L.I., Leskov M.B. Strukturo-obrazovaniye v zone kontakta metallov pri sovmest-noy plasticheskoy deformatsii. Krasnoyarsk: Sib. feder. un-t, 2019. 200 s.
10. McEwan K.J., Milner D.R. Pressure Welding of Dissimilar Metals // British Welding Journal. 1962. № 9. P. 406-420.
11. Cave J.A., Williams J.D. The Mechanisms of Cold Pressure Welding by Rolling // Journal Institute of Metals. 1973. № 101. P. 203-207.
12. Bay N. Mechanisms Producing Metallic Bonds in Cold Welding // Welding Research Supplement. 1983. № 62. P. 137-142.
13. Mori K., Bay N., Fratini L., Micari F., Tekkaya A.E. Joining by plastic deformation // CIRP Annals. 2013. № 62(2). P. 673-694. DOI: 10.1016/j.cirp.2013.05.004
14. Buffa G., Fratini L., Hua J., Shivpuri R. Friction Stir Welding of Tailored Blanks: Investigation on Process Feasibility // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2006. № 55(1). P. 279-282.
15. Nguyen Khan' Toan, Petrov P.A., Burlakov I.A., Vo Fan Tkhan' Dat. Analiz reologicheskikh modeley titano-vogo splava OT4-1 pri razlichnykh rezhimakh deformatsii // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2023. № 1. S. 80-88.
16. Elrefaey A., Tillmann W. Solid state diffusion bonding of titanium to steel using a copper base alloy as interlayer // Journal of materials processing technology. 2009. Vol. 209. № 5. P. 2746-2752.
