CC BY
62
УДК 621.77
С. Г. Сынков, Я. Е. Бейгельзимер, В. Н. Варюхин, А. В. Решетов, А. С. Сынков, Д. В. Орлов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ВИНТОВОЙ
ЭКСТРУЗИИ
Представлена информация о новом методе интенсивной пластической деформации - винтовой экструзии (ВЭ). Рассмотрены различные схемы ВЭ, описан опыт реализации этого процесса, анализируется влияние ВЭ на механические характеристики технически чистого титана ВТ 1-0 и вторичного алюминиевого сплава АК9.
В настоящее время большой интерес в мире проявляется к материалам с наноструктурой (НС) и ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой (размеры зерна 10......100 нм и 100......1000 нм соответственно). Такие материалы обладают уникальными физико-механическими характеристиками [1].
Одним из наиболее эффективных методов получения объёмных заготовок с НС и УМЗ структурой является интенсивная пластическая деформация (ИПД), основная цель которой - накопление деформации в заготовках без изменения их формы [2]. К процессам ИПД относятся: равноканальное угловое (РКУ) прессование, всесторонняя ковка и др. [3, 4].
Особенностью процессов ИПД является то, что форма заготовки после полного цикла деформации практически совпадает с исходной, что позволяет обрабатывать её многократно. В результате больших пластических деформаций металлов (эквивалентная деформация составляет обычно е(- = 5.. .10[2]) размеры их структурных элементов уменьшаются и достигают значений, характерных для НС и УМЗ материалов. Вследствие этого металлы после ИПД приобретают уникальные свойства, многие из которых представляют практический интерес. В частности, они обладают весьма высокой пластичностью в сочетании с высокой прочностью.
В настоящей работе представлена информация о разрабатываемом авторами новом методе ИПД -винтовой экструзии (ВЭ) [5-6].
Основная идея винтовой экструзии
ВЭ состоит в том, что призматическую заготовку пропускают через винтовую матрицу (рис. 1,
а). Канал винтовой матрицы схематично показан на рис. 1, б. Он состоит из трех участков: заход-ного 1, винтового 2 и калибрующего 3. Поперечные сечения всех участков одинаковы.
Характеристикой винтового участка 2 является угол р наклона винтовой линии, наиболее удаленной от оси матрицы, к оси экструзии (см. рис. 1,
б).
Указанные особенности геометрии канала при-
водят к тому, что при выдавливании через него форма заготовки не изменяется, это позволяет осуществлять ее многократную экструзию с целью накопления интенсивных деформаций. При этом происходит изменение структуры и свойств заготовки при сохранении идентичности начальной и конечной ее формы.
б
Рис. 1. Схема, поясняющая суть винтовой экструзии: а - схема прохождения заготовки через винтовую матрицу; б - схема канала винтовой матрицы
© С. Г. Сынков, Я. Е. Бейгельзимер, В. Н. Варюхин, А. В. Решетов, А. С. Сынков, Д. В. Орлов 2006 г.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006 — 137 —
Деформация металла в процессе винтовой экструзии
В работе [5] методами физического и математического моделирования исследовано напряженно-деформированное состояние металла при ВЭ. Краткие выводы из этой работы состоят в следующем:
1. На границе заходного и винтового участков матрицы происходит закручивание потока металла, а на границе винтового и калибрующего участков поток выпрямляется (рис. 2);
2. В первом приближении, в процессе ВЭ каждое материальное сечение заготовки, ортогональное ее оси, деформируется по схеме простого сдвига;
3. Наибольшую часть деформации за проход заготовка получает в узких зонах входа и выхода из винтового участка канала матрицы;
4. Минимальной деформации подвергается волокно, расположенное по оси образца, максимальной - наиболее удаленные от нее волокна;
5. Для заготовок прямоугольного поперечного сечения максимальное s.-max и минимальное s, ■
' max ' min
значения эквивалентной деформации после одного прохода ВЭ можно рассчитать по формулам
Si max = gß>
Si min = 0,4 + °1gß-
Эксперименты показывают (см. напр. [2]), что простой сдвиг в узких слоях наиболее эффективен, по сравнению с другими видами деформации, в плане образования УМЗ структур, а циклическая деформация характеризуется более высокой пластичностью металла по сравнению с монотонной. В совокупности со сказанным выше это указывает на возможную перспективность винтовой экструзии для получения материалов с нано- и УМЗ структурой.
Рис. 2. Фрагмент винтовой матрицы с заготовкой
Установки для винтовой экструзии
Впервые процесс винтовой экструзии (ВЭ) был реализован для обработки заготовок из технического титана ВТ1-0, для чего была использована установка гидропрессования с цилиндрической рабочей камерой контейнера диаметром 50 мм. В качестве силового органа служил гидравлический пресс усилием 4000 кН. Установка была адаптирована под гидромеханическую винтовую экструзию, схема которой приведена на рис. 3. В приведенной схеме обрабатываемую заготовку 3 с размерами сечения 14x16мм и длиной 60 мм экстру-дировали через винтовую матрицу 4, которая базировалась на опорной втулке 5, устанавливаемой на конической матрице 7, предназначенной для гидропрессования фальш-заготовки. В рабочий канал контейнера 2 заливали рабочую жидкость, масло индустриальное И-20, после чего пуансоном 1 в канале создавали давление рабочей жидкости. При давлении 600^700 МПа фальш-за-готовка 6 начинала экструдироваться через коническую матрицу 7, а пуансон, перемещаясь в осевом направлении по каналу контейнера, воздействовал на верхний торец обрабатываемой заготовки 3, в результате чего заготовка экстру-дировалась через винтовую матрицу. Когда пуансон касался верхнего торца матрицы, процесс останавливали, в коническую матрицу устанавливали новую фальш-заготовку, винтовую матрицу с обрабатываемой заготовкой поворачивали на 180° и процесс повторяли. Результаты обработки титановых заготовок по такой схеме достаточно подробно описаны в работах [9, 10]. Мы хотели бы обратить внимание на достоинства и недостатки такой схемы ВЭ.
Рис. 3. Схема установки гидромеханической винтовой экструзии
Основным достоинством является то, что процесс обработки заготовки проходит в жидкости высокого давления, когда трение заготовки о стенки контейнера отсутствуют. Заготовка экструдиру-ется из зоны высокого давления в зону такого же высокого давления при наиболее благоприятной схеме напряжённого состояния. Максимальные напряжения на пуансоне не превышают 1000 МПа, причём процесс проводили при комнатной температуре. Заготовка при воздействии на неё пуансона в процессе ВЭ не теряет устойчивости, поскольку поддержана жидкостью высокого давления.
К основным недостаткам приведенной схемы ВЭ следует отнести низкую технологичность процесса. Необходимость точной фиксации слоя масла над заготовкой: при заниженном слое масла процесс ВЭ заготовки начнётся, когда давление гидропрессования фальш-заготовки ещё не достигнуто. В этом случае возможна осадка обрабатываемой заготовки. При повышенном слое масла над заготовкой процесс гидропрессования фальш-заготовки начнётся раньше ВЭ, что может привести к потере контроля над процессом.
Для проведения последующих технологических исследований процесса ВЭ и изучения структуры и свойств обрабатываемых материалов было решено изменить как размеры, так и форму сечения обрабатываемых заготовок. При использовании матриц с близким к квадратному сечению каналом (соотношение сторон поперечного сечения а/в~1) и недостаточном уровне противодавления возможно "смятие" углов заготовки, т. е. искажение её формы в поперечном направлении. В этом случае сдвиговой деформации заготовки либо не происходит, либо она уменьшается на величину смятия. При уменьшении соотношения сторон а/в поперечного сечения канала матрицы объём материала для деформирования " смятием" возрастает и, при определенном соотношении а/в (-1,5), заготовка начинает деформироваться по схеме простого сдвига. В то же время увеличение соотношения а/в приводит к росту неравномерности распределения накопленной деформации и свойств в плоскости поперечного сечения образца, однако при повторных деформационных проходах ВЭ эта неравномерность частично устраняется [5, 11].
Созданная установка для ВЭ, схема которой приведена на рис. 4, состоит из трёхслойного контейнера 1, имеющего рабочий канал для размещения заготовки размером 28 х18 мм2, бандажи-рованной винтовой матрицы 2 с заходным прямым каналом 28 х 18 мм2, переходящим в винтовой канал с углом наклона к оси прессования р = 45-60 ° и выходной канал, повёрнутый относительно входного на 80-90 °. В нижней части калибрующего канала матрицы предусмотрено незначительное уменьшение поперечного участка по отношению к заходному для компенсации влияния остаточных
упругих напряжений заготовки, приводящих к про-пеллерности и некоторому увеличению поперечного сечения обрабатываемой заготовки. Под матрицей устанавливается центрирующая втулка 3 с сечением и формой канала, соответствующей сечению выходного канала матрицы и служащая для предотвращения потери устойчивости заготовки при воздействии на её нижний торец плунжера противодавления 4 [12]. Под центрирующей втулкой установлена опорная плита 5 с прямоугольным пазом для извлечения заготовки. Вся конструкция установлена на нижней плите 7, к которой крепится фланцем 8 и шпильками. Прессование заготовки осуществляется пуансоном 9, установленным в верхней подвеске. На наружную поверхность контейнера и матрицы установлен нагреватель, позволяющий осуществлять нагрев установки до 400 °С и проводить обработку заготовок в режиме тёплого прессования.
В этой установке при комнатной температуре и скорости деформирования 3 мм/с, максимальном давлении ВЭ до 2000 МПа и противодавлении 100200 МПа были обработаны: медь М0, М1, цинк Ц0, Ц1, Ц2, алюминиевые сплавы А0, АМг2 и технический титан ВТ1-0.
При температуре нагрева установки до 400 °С и при тех же скоростно-силовых параметрах были обработаны труднодеформируемые металлы АК5М2, ВТ-6, Инконель718 и ВТ1-0.
В результате обработки ВЭ перечисленных материалов по различным технологическим режимам были установлены преимущества и недостатки технологической оснастки.
Рис. 4. Схема установки ВЭ с профильным каналом контейнера
/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 139 -
Одним из основных преимуществ такой схемы является возможность обработки заготовки в контейнере без её осадки. Это особенно важно при обработке хрупких и труднодеформируемых сплавов в режиме тёплой деформации. Возможность нагрева установки - это ещё одно преимущество перед схемой гидромеханической ВЭ.
Главным технологическим недостатком профильного канала контейнера в установке ВЭ является большая поверхность трения заготовки о стенки канала контейнера на протяжении всего пути деформирования, что не позволило реализовать обработку заготовок по схеме "заготовка за заготовкой". Традиционно применяемые в процессах прессования смазки существенного эффекта не дали ни при комнатной, ни при повышенных температурах. Уровень удельных усилий на пуансон при обработке сплавов титана, Инконеля 718 составлял 2000^2100 МПа. Понятно, что при таком уровне давлений проблемы стойкости инструмента выходят на первый план. После 20-25 циклов ВЭ в местах наибольшей концентрации напряжений, а это верхний торец винтовой матрицы и сопрягаемый с ним торец внутренней втулки контейнера, появлялись радиально расходящиеся трещины, идущие из углов профиля канала, рис. 5. Кроме того, профильный пуансон при закалке на
твёрдость 58......60 НКс хрупко разрушался, а при
закалке на твёрдость 50......52 НКс терял устойчивость, появлялся продольный изгиб.
Поэтому логичным шагом в изменении конструкции оснастки стал цилиндрический рабочий канал контейнера диаметром 28 мм, соответствующий описанному диаметру заготовки. Верхний торец матрицы на глубину 8-10мм повторял диаметр контейнера, далее шёл конический участок, переходящий в профиль 28x18 мм и последующий винтовой участок, рис. 6. Таким образом, зона наибольшей концентрации напряжений была выведена с поверхности матрицы. С точки зрения конструктивной прочности, такая конструкция внутренней втулки контейнера и матрицы более предпочтительна. На сегодняшний день они выдержали более 100 циклов ВЭ без разрушения. Преимущества цилиндрической формы пуансона перед профильной - очевидны. Кроме того, такая конструкция рабочего канала контейнера и матрицы тех-
Рис. 5. Разрушение винтовой матрицы
нологична в исследованиях по консолидации порошковых материалов и лент с аморфной структурой. Такие материалы упаковывают в стакан, например, из меди, а изготавливать цилиндрический стакан с заглушкой и далее проводить с ним все последующие операции по упаковке и компакти-рованию технологичнее, чем с профильным. По такой схеме методом ВЭ была консолидирована в монолитный образец лента из сплава А^Ос^!^^ [13], реализован процесс полунепрерывной ВЭ в прутки стружечных материалов из алюминия, магния и титановой губки [14]. Из монолитных материалов отработаны процессы получения УМЗ технического титана ВТ1-0 для изготовления ортопедических пластин [15] и комбинированная обработка ВЭ вторичных алюминиевых сплавов с целью повышения их технологической пластичности [16].
Рис. 6. Винтовая матрица с круглой заходной частью
Недостатками схемы с цилиндрическим каналом контейнера являются, с одной стороны, высокие удельные нагрузки на инструмент в первом деформационном проходе при исходной цилиндрической заготовке вследствие практически совмещения деформации в матрице с круга на профиль с последующей ВЭ. С другой стороны, деформация профильной заготовки в круглом канале контейнера и винтовой матрице неизбежно сопровождается деформацией осадки, что негативно сказывается на обработке труднодеформируемых и малопластичных материалов, у которых ресурс пластичности невелик.
Устранить эти недостатки, по мнению авторов настоящей работы, может позволить процесс ква-зигидроэкструзии, при котором роль жидкости выполняет среда, состоящая из мелкодисперсного графита с добавками низкотемпературной стеклянной смазки.
В качестве иллюстрации эффективности описанного метода обработки ниже приведены результаты обработки ВЭ и комбинацией ВЭ с прокаткой и прессованием через коническую матрицу образцов из титана ВТ1-0 и вторичного алюминиевого сплава АК9, таблицы 1 и 2.
Таблица 1 - Механические свойства титановых образцов после различных видов деформационной обработки
Марка сплава Вид обработки ав МПа ^0,2 МПа S % МПа
ВТ 1-0 горячекатаный, исходный 450 375 22 1600
ВТ 1-0 4 прохода ВЭ (400 °С)+отпуск 300 °С 1 час 670 630 22 2490
ВТ 1-0 4 прохода ВЭ (400 °С)+теплая прокатка (400 °С, отн. обжатие 80 %)+отпуск 300 °С 1 час 790 760 15 3000
Как видно из табл. 1, после четырех проходов теплой ВЭ прочностные характеристики заготовки выросли в полтора раза. Примечательно, что пластичность при этом не упала. Последующая теплая прокатка привела к дальнейшему росту прочностных свойств, при некотором (в рамках допустимого) падении величины относительного удлинения. В целом же механические характеристики полученных из сплава ВТ1-0 пластин приближаются по своим значениям к свойствам сплава ВТ-6.
Таким образом, теплая винтовая экструзия существенно повышает прочностные характеристики образца при сохранении высокого уровня пластичности и позволяет эффективно подготовить структуру исходного материала к последующему монотонному деформированию.
Таблица 2 - Механические свойства образцов сплава АК9 в исходном и деформированном состоянии
Вид обработки °в, Н/мм2 ^0,2 Н/мм2 S, % у, %
Исходное состояние 60 48 0,8 -
ВЭ*1пр^012 мм 206 172 10 12
ВЭ*5пр^012 мм 207 160 17 20
Как видно из табл. 2, после деформационной обработки произошел значительный рост как прочностных, так и пластических характеристик сплава. Так, в исходном состоянии сплав имел чрезвычайно низкую пластичность (порядка 0,8 %). После обработки по схеме один цикл ВЭ + прессование его пластичность выросла до 10 %, а деформирование по схеме пять циклов ВЭ + прессование позволило увеличить пластичность до 17 %. Материал АК9 после ВЭ по своим прочностным свойствам можно классифицировать как высокопрочный, а по пластическим характеристикам сплав перешел из категории малопластичных в класс средней (для первого маршрута) и высокой (для второго маршрута) пластичности. Таким образом, вторичный алюминиевый сплав с практически нулевой пластичностью после проведенной обработки по своим свойствам перешел из литейных в разряд деформируемых, что существенно расширило область его потенциального использования.
Выводы
1. Анализ технологических схем и оснастки для ВЭ позволяет сделать вывод о целесообразности применения схемы механической ВЭ с цилиндрическим каналом контейнера и винтовой матрицей, с использованием квазижидкости, в которой зона винтовой деформации расположена в глубине матрицы.
2. Результаты обработки ВЭ образцов титана ВТ1-0 и вторичного алюминиевого сплава АК9 показывают высокие как прочностные характеристики, так и пластические.
Список литературы
1. Gleiter H. Nanstructured material: basic and microstructure // Acta Materialia. - 2000. -V. 48. - №1. - Р. 1-29.
2. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктур-ные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. -271с.
3. Процессы пластического структурообразования металлов / Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И., Павлик Д.А., Малышев В.Ф.- Минск: Наука и техника. - 1994. - 232с.
4. Формирование субмикрокристаллической структуры в титане при пластической деформации и её влияние на механические свойства / Салищев Г.А., Валиахметов О.Р., Галеев Р.М., Малышева С.П.// Металлы, 1996. - №4. - С. 86-91.
5. Винтовая экструзия - процесс накопления деформаций. Бейгельзимер Я.Е., Варюхин В.Н., Орлов Д.В., Сынков С.Г. Донецк: ТЕАН, 2003. - 85 с.
6. Интенсивные пластические деформации материалов при гидропрессовании с кручением / Бейгельзимер Я.Е., Варюхин В.Н., Сынков В.Г., Сынков С.Г. // Физика и техника высоких давлений. - Т.10. - №1. - 2000. - С. 24-27.
7. Винтовая экструзия / Бейгельзимер Я.Е., Сынков С.Г., Орлов Д.В., Решетов А.В. // Кузнеч-но-штамповочное производство, 2004. - №6. - С. 15-22.
8. Патент Украины ' 'Способ деформационной обработки материалов" ЫА59856А В21С25/00 / Я.Е. Бейгельзимер, С.Г. Сынков, Д.В. Орлов, А.В. Решетов.
9. Y.Beygelzimer, D.Orlov, V.Varykhin, in Pros. Of TMS Annual Meeting in Seattle, WA, Feb. 17-21,
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 141 -
2002, p. 297-304.
10. Влияние комбинированной обработки давлением на структуру и свойства титана ВТ1-0 /
B.В.Столяров, Х.Ш. Салимгареев, Е.П.Сошни-кова, Я.Е. Бейгельзимер и др.// Физика и техника высоких давлений, 2003. - т.13. - №1. -
C. 54-59.
11. Винтовая экструзия. / Я.Е. Бейгельзимер, С.Г. Сынков, Д.В. Орлов, А.В. Решетов //Кузнечно-штамповочное производство, 2004. - №6. - С. 15-22.
12. Д.П.70052А Украина, МКИВ21С25/00. Пристрм для обробки матерiалiв тиском / Я.Ю. Бейгельзимер, С.Г. Синков, Д.В. Орлов, А.В. Решетов, О.С. Синков. - 20031212322; заявл. 24.12.2003; опубл. 15.09.2004, Бюл. №9. - 8 с.
13. Consolidation of amorphous Al86Ni6Go2Gd6 melt spun ribbons by twist extrusion / V.N.Varyukhin, Y.Y.Beygelsimer, S.G.Synkov etc. // Material Science Forum Vols. 503-504 (january 2006) pp. 699-704.
14. Получение длинномерных заготовок путём консолидации порошковых и пористых материалов методом комбинированной экструзии / А.С-.Сынков, С.Г. Сынков, Я.Е. Бейгельзимер и др./ / Прочность неоднородных структур. Тезисы докладов. Москва.- МиСиС, 2006. - 149 с.
15. Основы технологии получения пластин для травматологии и ортопедии методом винтовой экструзии с последующей прокаткой / Я. Е. Бейгельзимер, С.Г. Сынков, А.В. Решетов // Металл и литьё Украины, 2005. - №11-12. - С. 57-60.
16. Комбинированная деформационная обработка вторичных алюминиевых сплавов / А.И. Шевелев, В.Н. Варюхин, С.Г. Сынков, А. В. Решетов // Физика и техника высоких давлений, 2005. - т. 15. - №1. - С. 139-145.
Поступила в редакцию 08.06.2006 г.
Представлено ¡нформацю про новий метод ¡нтенсивно!' пластично!' деформацИ' - гвин-тово! екструзИ' (ГЕ). Розглянутi р1зн1 схеми ГЕ, описано досвд реал ¡зацн цього процесу, анал1зуеться вплив ГЕ на механ ¡чн i характеристики техн ¡чно чистого титана ВТ1-0 i вторинного алюмiнieвого сплаву АК9.
The information on a new method of severe plastic deformation twist extrusion (TE) is presented. Various TE schemes are considered, experience of realization of this process is described, influence of TE on mechanical characteristics of technically pure titanium (ВТ 1-0) and secondary aluminium alloy (АК9) are analyzed.
