CC BY
122
УДК 621.791.753.0
А. И. Хабибуллин, Г. Ф. Ловшенко, д-р техн. наук, доц.,
Ф. Г. Ловшенко, д-р техн. наук, проф.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ ЗАГОТОВОК ИЗ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННОЙ МЕДИ
Рассмотрены особенности процесса деформирования экструдированных заготовок, изготовленных из дисперсно-упрочненной меди. Приведены кривые упрочнения сплавов на основе меди при растяжении при температурах 600...800 0С. Результаты испытаний позволили установить, что исследуемый материал обладает одинаковой пластичностью в рабочем интервале температур от 20 до 800 0С, а также низким деформационным упрочнением по сравнению с другими медными сплавами.
Введение
Дисперсно-упрочненная медь (ДУМ), получаемая по технологии, разработанной в Белорусско-Российском университете, имеет следующие физикомеханические свойства: электропро-
водность составляет 65.70 % от электропроводности меди, твердость -190.220 НВ, предел прочности при растяжении - 700.900 МПа, длительная прочность - [а 500] = 200.250 МПа, температура рекристаллизации - 800.850 0С, относительное удлинение - 5 %.
Эти свойства позволяют использовать ее в качестве жаропрочного материала, обладающего высокими значениями электропроводности. Изделия электротехнической промышленности (скользящие и коммутирующие электроконтакты, электроды контактной точечной сварки, токоподводящие наконечники для сварки проволокой в среде защитных газов, сопла плазмотронов и пр.), изготовленные из этого материала, отличаются высокими эксплуатационными характеристиками.
Технология изготовления ДУМ относится к высоким технологиям, так как позволяет получать электротехнические материалы с уникальным комплексом свойств (высокими твердостью и прочностью, горячей твердостью и жаропрочностью, износо- и электроэро-зионной стойкостью, при низкой склонности к динамическому и стати-
ческому свариванию и сохранении высоких значений электро- и теплопроводности), используя недефицитные материалы. Важными преимуществами этого метода являются простота технологии получения материала, невысокие энергозатраты при достаточной производительности процесса. Массовое применение электротехнических изделий, изготовленных из ДУМ, сдерживается нерешенностью ряда задач, обусловленных новизной и сложностью проблемы. К одной из них относится отсутствие технологии обработки давлением.
Пластичность материала и сопротивление деформации являются основными характеристиками, обусловливающими возможность обработки давлением и его технологичность. В связи с тем, что не существует единых общепризнанных методов оценки и определения пластичности [1, 2] и процессы обработки металла давлением (ОМД) имеют бесчисленные сочетания типоразмеров заготовок и оснастки, скоростей деформации и пр., в данном исследовании использовались показатели, устанавливаемые при простых схемах нагружения (сужение шейки и относительное удлинение), и технологические (критическое обжатие при прокатке). Несмотря на то, что простые показатели не выражаются в соответственных величинах и определяются при схемах напряженного состояния, которые не встречаются в реальных процессах
ОМД, эти показатели позволяют установить температурный интервал максимальной пластичности и дают качественную оценку предельных степеней деформации при ОМД.
Показатели технологической пластичности, полученные моделированием основной схемы напряженного состояния без учета условий геометрического и физического подобия, могут быть использованы для качественной оценки предельных деформационных возможностей материала в соответственном процессе ОМД.
Целью данного исследования являлось установление технологических особенностей дисперсно-упрочненной меди, необходимых для разработки методов обработки ее давлением и проектирования комплекта технологической оснастки.
Методика исследования
Температурный режим деформации устанавливался на основании кривых, характеризующих зависимость пластичности от температуры и при заданной скорости деформации. Диаграммы пластичности строились по результатам испытаний образцов на растяжение. Оценка механических свойств производилась по результатам высокотемпературных статических испытаний на растяжение на машине ИР 5143-200-11 при скорости 2,0 мм/мин. За показатели пластичности принимались сужение шейки и относительное удлинение образцов. Для построения диаграмм растяжения в диапазоне температур 20.800 0С применялись пропорциональные цилиндрические образцы диаметром ё0 = 10 мм.
Для определения температуры конца обработки давлением производилось прессование прутков диаметром 8 мм из экструдированных заготовок диаметром 25 мм, температура предварительного нагрева заготовок изменялась в диапазоне 500.800 0С. Температура подогрева технологической оснастки составляла 500.600 0С, скорость
деформирования - 0,016 м/с. Из полученных прессованием прутков изготавливались пропорциональные разрывные образцы диаметром ё0 = 5 мм и определялись их физико-механические свойства.
Для установления температурного интервала максимальной пластичности и определения зоны локализации разрушения при прокатке, а также факторов, действующих на нее, использовался метод прокатки клиновидных образцов [3]. Этот метод позволяет получать широкий интервал обжатий на одном образце. Прокатку образцов осуществляли на лабораторном стане 210 на гладкой бочке. Пластичность определяли по критическому обжатию, соответствующему началу разрушения образца.
Для снижения эффекта неодинакового охлаждения толстого и тонкого концов клиновидных образцов, а также для уменьшения возможных дополнительных напряжений в образце под влиянием переменных по длине факторов Ь0/Ь0 клиновидность образцов была выбрана равной 1:200.
Образцы изготавливались строганием экструдированных прутков квадратного сечения 20*20 и имели размеры: 10 = 1000 мм, Ь0 = 20 мм, Ь0 = 20 мм. При установлении критической степени обжатия исходную толщину в критическом сечении образца рассчитывали по отметкам керна, наносимым на боковые поверхности клина через 10 мм. Принятые температуры прокатки 500.800 0С с интервалом 50 град охватывали весь возможный интервал температур обработки давлением исследуемого материала. С помощью регулировок прокатного стана обеспечивали начало разрушения в одинаковых сечениях по длине образца. Это производилось с целью устранения влияния переменных по длине клина факторов Ь0/Ь0 на критические обжатия екр. Причем критическое сечение находилось в районе середины образца, для того чтобы процесс прокатки в нем можно было считать установившимся.
Результаты исследования и их обсуждение
Температура обработки давлением должна исключать явление перегрева и обеспечивать максимальную пластичность. Последнее условие выполняется при деформировании в однофазной области диаграммы состояния сплава. В связи с тем, что ДУМ не склонна к перегреву и остается многофазной вплоть до плавления, оценка ее пластичности производилась в области температур неполной холодной обработки давлением, т. к. в этом случае
имеется возможность производить пластическую деформацию при снижении сопротивления деформированию, отсутствии значительного упрочнения и в то же время без протекания процесса рекристаллизации. Результаты высокотемпературных статических испытаний на растяжение (рис. 1) позволяют заключить, что исследуемый материал обладает одинаковой пластичностью в рабочем интервале температур: относительное удлинение составляет 4,8.5,1 %, сужение поперечного сечения - 8,3.8,6 %.
5_
%
V.
%
НВ
а
МПа
г г г 900
£00
700
600
500
400
15 . 15 '300 ■ 300
10 10 200 - 200
5 ■ 5 100 . 100
0 0 0 0
1
- ^ , з
/
4 ^ 2 ^ ==»
200
400
600
0С
800
Рис. 1. Механические свойства дисперсно-упрочненной меди при высоких температурах: 1 - предел
прочности; 2 - твердость; 3 - относительное удлинение; 4 - относительное сужение
0
Диаграммы растяжения ДУМ в диапазоне температур 20.800 0С имеют вид, характерный для хрупких материалов, не имеющих площадки текучести. Из сравнения полученных кривых упрочнения ДУМ и типовых промышленных сплавов на основе меди (рис. 2-4) [3] можно сделать нижеследующие выводы.
Сопротивление деформированию у разработанного материала значительно выше, чем у меди и типовых медных
сплавов при любых температурах. Высокая прочность, так же, как и ее пониженная пластичность, объясняется, с одной стороны, наклепом, приобретенным на стадии механического легирования, с другой стороны, микрокристаллическим типом структуры матрицы с развитой поверхностью границ зерен и субзерен. Границы представляют собой существенное препятствие для перемещения дислокаций, причем дисперсные вклю-
чения стабилизируют их до температур, достигающих 0,95 Тпл, что приводит к значительному повышению горячей прочности и препятствует развитию диффузионных процессов [4, 5].
Степень упрочнения разработанного материала при температурах испытания 600. 800 0С остается на одном уровне, около 1,03. Низкое упрочнение ДУМ, по сравнению с медью и медными сплавами, объясняется высокой сте-
пенью наклепа, приобретенного в процессе механического легирования композиции и практическим отсутствием упрочнения при дальнейшей пластической деформации. Эта особенность ДУМ объясняется тем, что накопление дислокаций у препятствий (развитых границ зерен и наноразмерных частиц Л1203) подавляет деятельность источников дислокаций, в том числе и механизм размножения Франка-Рида [1].
Рис. 2. Кривые упрочнения сплавов на основе меди при растяжении при температуре 600 0С:
1 - медь марки М2; 2 - бронза Бр А7; 3 - бронза Бр АЖН10-4-4; 4 - дисперсно-упрочненная медь; а - сопротивление деформации; 5 - относительное удлинение
Рис. 3. Кривые упрочнения сплавов на основе меди при растяжении при температуре 700 0С:
1 - медь марки М2; 2 - бронза Бр А7; 3 - бронза Бр АЖН10-4-4; 4 - дисперсно-упрочненная медь
Рис. 4. Кривые упрочнения сплавов на основе меди при растяжении при температуре 800 0С:
1 - медь марки М2; 2 - бронза Бр А7; 3 - бронза Бр АЖН10-4-4; 4 - дисперсно-упрочненная медь
Одной из особенностей прутков ДУМ, получаемых экструдированием, является волокнистая макроструктура. Такое строение образуется в результате специфического деформирования гранул. Оксидные пленки на поверхности гранул в процессе экструдирования вытягиваются вместе с зернами в направлении деформации. Так как эти включения при нагревании не растворяются, они (или продукты их разрушения) сохраняют вытянутую форму и придают макроструктуре волокнистое строение, которое не устраняется до температуры
0,95 Тпл. Вышеперечисленные особенности существенно влияют на процесс обработки давлением.
Следующим этапом исследований являлось установление температурного интервала обработки давлением. В связи с тем, что признаки начала рекристаллизации ДУМ отмечаются при температурах нагрева свыше 800 0С [4, 5], это значение было принято за температуру начала обработки давлением.
Для определения температуры конца обработки устанавливалась зависимость физико-механических свойств материала от температуры обработки давлением. Для решения этой задачи производилась операция прессования
прутков при различных температурах. Полученные данные (рис. 5) позволяют сделать вывод о том, что при обработке давлением ниже 600 0С происходит значительное снижение пластичности и прочности. Таким образом, для предотвращения разупрочнения вследствие рекристаллизации за температуру начала обработки давлением принимаем 800 0С, а за температуру конца обработки - 600 0С.
Для оценки предельных деформационных возможностей при прокатке проводилось моделирование конкретного процесса ОМД с соблюдением условий подобия по всем факторам, оказывающим существенное влияние на напряженное и деформированное состояние в зоне локализации разрушения. Диаграмма пластичности по результатам прокатки на клин представлена на рис. 6.
В случае обработки давлением со схемой всестороннего неравномерного сжатия в условиях неполной холодной деформации ДУМ обладает очень высокой пластичностью. В исследованиях [5, 6] было установлено, что пластичность ДУМ при выдавливании отверстий в условиях неполной холодной деформации значительно превышает пла-
стичность типовых медных сплавов, причем форма и размеры зерен остаются неизменными. Это указывает на то, что в материале с микрокристаллическим типом структуры, с размерами зерен, не
превышающих десятых долей микрометров, в указанных условиях реализуется иной механизм пластической деформации, обеспечивающий высокие технологические свойства.
о_ НВ
о/о МПа
25
20
15
10
" ■ 300
900
250
1« ■ 600 200
150
5 300 ■ 100
50
0 0 0
500
550
600
і
650
—
700
750 0 с 800
Рис. 5. Зависимость физико-механических свойств прутков от температуры прессования 1:
1 - твердость; 2 - удельное электросопротивление; 3 - предел прочности; 4 - относительное удлинение
Рис. 6. Диаграмма пластичности дисперсно-упрочненной меди при прокатке клиновидных образцов:
у - критическое обжатие; 1 - температура нагрева прутка
Из [1-3] известно, что основные механизмы пластической деформации при горячей обработке те же, что и при холодной: внутризеренный - скольжением и двойникованием и, кроме того, вступают в действие новые механизмы термической пластичности. Существует
три механизма термической пластичности [1-3]: аморфно-диффузионный,
межзеренный и межфазовый растворноосадительный.
В связи с тем, что обработка давлением ДУМ происходит при температурах ниже температуры рекристалли-
зации и частицы избыточной фазы при температурах обработки давлением практически не растворимы в материале матрицы, аморфно-диффузионным и межфазовым растворно-осадительным механизмами можно пренебречь.
Согласно А. А. Бочвару, для деформирования металлов и сплавов, обладающих микрокристаллической структурой (с размером зерен 1.2 мкм и менее), характерен межзеренный механизм, заключающийся в том, что при пластической деформации в процессе взаимного перемещения и поворота зерен происходит деформация границ зерен. При этом, благодаря высокой температуре (близкой к температуре рекристаллизации), происходит залечивание образовавшихся дефектов на границах между зернами. «Увеличение потенциальной энергии межзеренных прослоек и уменьшение размеров зерен в сочетании с увеличением подвижности атомов в результате нагрева приводят к облегчению межкристаллитной деформации (мелкие округлые зерна как бы находятся в массе сравнительно толстых межзеренных прослоек, имеющих аморфное строение, что облегчает их относительное проскальзывание и перекатывание в условиях течения, подобного течению вязкой жидкости с твердыми вкраплениями)» [2].
В связи с тем, что действие основных механизмов внутризеренных деформаций в материале, находящемся в состоянии наклепа и обладающим микрокристаллической структурой, затруднено, наибольший вклад в пластическую деформацию вносит межзеренный механизм, позволяющий значительно повысить пластичность ДУМ при реализации схемы всестороннего неравномерного сжатия. Благодаря этому в процессе выдавливания отверстий при неполной холодной деформации наблюдаются высокая пластичность, сохранение неизменных размеров и формы зерен, объясняемые межзеренным механизмом сколь-
жения, так называемым «зернограничным проскальзыванием».
Таким образом, при выдавливании отверстий в заготовках из ДУМ в условиях неполной холодной деформации реализуется эффективный механизм аккомодации зерен и «залечивания» несплошностей - зернограничное проскальзывание.
Заключение
1. Микрокристаллический тип структуры дисперсно-упрочненной меди, характеризующийся высокоразвитой поверхностью границ зерен, стабилизированных термодинамическими стабильными оксидами, препятствует развитию диффузионных процессов и, соответственно, процессов рекристаллизации, что приводит к значительному повышению горячей твердости и прочности.
2. Характерными особенностями дисперсно-упрочненной меди являются:
- волокнистая макроструктура экструдированных прутков, обусловливающая анизотропию физико-механических свойств;
- повышенное сопротивление деформации;
- постоянная пластичность при растяжении 5 ~ 5 % в рабочем интервале температур 20.800 0С;
- высокая пластичность наклепанного материала в условиях всестороннего неравномерного сжатия при неполной холодной деформации;
- постоянная низкая степень упрочнения при растяжении (около 1,03) при любых температурах испытания.
3. Обработку давлением дисперсно-упрочненной меди необходимо производить в состоянии неполной холодной деформации, в узком диапазоне температур (600.800 °С), составляющем (0,64.0,80)Тпл основы.
4. Подтверждается универсальность гипотезы А. А. Бочвара о возможности реализации межзеренного механизма пла-
стической деформации при обработке давлением металлов и сплавов, обладающих микрокристаллической структурой, в том числе и дисперсно-упрочненных конструкционных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сторожев, М. В. Теория обработки металлов давлением / М. В. Сторожев, Е. А. Попов. -4-е изд. - М. : Машиностроение, 1977. - 423 с.
2. Губкин, С. И. Пластическая деформация металлов : в 3 т. / С. И. Губкин. - М. : Ме-таллургиздат, 1960. - Т. 1. - 376 с.
3. Полухин, П. И. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов / П. И. Полухин, Г. Я. Гун, А. М. Галкин. - М. : Металлургия, 1983. - 352 с.
4. Ловшенко, Г. Ф. Теоретические и технологические аспекты создания наноструктурных механически легированных материалов на основе металлов / Г. Ф. Ловшенко, Ф. Г. Ловшенко. -Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2005. - 264 с.
5. Ловшенко, Г. Ф. Наноструктурные механически легированные материалы на основе металлов / Г. Ф. Ловшенко, Ф. Г. Ловшенко, Б. Б. Хина. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2008. - 680 с.
6. Хабибуллин, А. И. Особенности прошивки заготовок из дисперсно-упрочненного материала на основе меди / А. И. Хабибуллин, Ф. Г. Ловшенко, Г. Ф. Ловшенко // Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин : сб. науч. тр. VI науч.-техн. конф., Новополоцк, 24-26 апр. 2007 г. : в 3 т. - Ново-полоцк, 2007. - Т. 2. - С. 88-91.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 13.10.2009
A. I. Habibullin, G. F. Lovshenko, F. G. Lovshenko Technological features of pressure processing of blanks from dispersion-reinforced copper
Features of the process of deformation of extruded blanks made of dispersion-reinforced copper are considered in the article. Curves of strengthening of alloys on the basis of copper at stretching at temperatures 600.. .800 0C are given in the article. The results of tests made it possible to establish that the tested material possesses identical plasticity in a working interval of temperatures from 20 to 800 0С, and has low strain hardening in comparison with other copper alloys.
