ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ОРЛоВ Дмитро Валентинович

УДК 621.7.043

РОЗВИнення ТЕОРІЇ І РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ
ГВИНТОВОГО ПРЕСУВАННЯ ТИТАНА І МІДІ

Спеціальність 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Донецьк – 2003р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України і Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Бейгельзімер Яків Юхимович,
Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, професор кафедри „Обробка металів тиском”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Рябічева Людмила Олександрівна,
Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля, м. Луганськ, завідувач кафедри „Прикладне матеріалознавство”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Михайленко Борис Омель’янович,
Донбаська державна машинобудівна академія, м. Краматорськ, доцент кафедри „Обробка металів тиском”.

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра „Обробка металів тиском”, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться “19” червня 2003 р. у 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 5-й навчальний корпус, аудиторія 353).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий “8” травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д .052.01,
доктор технічних наук, професор В.І. Алімов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. За останні роки все більшу увагу дослідників, що працюють в області фізичного матеріалознавства, приваблюють інтенсивні пластичні деформації (ІПД). Під ІПД, як правило, розуміють процеси обробки металів тиском (ОМТ), що дозволяють накопичувати в об'ємних заготівках великі ступені деформації. Внаслідок цього в оброблюваних матеріалах формується ультрадрібнозерниста (УДЗ) структура і вони здобувають унікальні властивості. У багатьох провідних лабораторіях світу (Австрія, Австралія, Великобританія, Німеччина, Канада, Китай, Росія, США, Україна, Франція, Південна Корея, Японія і та. ін.) вивчають властивості цих матеріалів, знаходять області їхнього застосування. Однак технологій одержання УДЗ матеріалів і центрів, що володіють цими технологіями, тепер явно недостатньо.

Зараз досить добре розроблені три методи ІПД: крутіння тонких заготівок у ковадлах Бриджмена, рівноканальне кутове пресування (РККП) і всебічне кування (ВК). Однак методом ковадел Бриджмена не можна одержувати масивні зразки. При РККП великі втрати металу на скошених кінцевих ділянках заготівки. Шляхом ВК не можна одержувати довгомірі заготівки через утрату їхньої стійкості при осадках по висоті. Крім того, ці методи ІПД дозволяють одержувати лише заготівки, які вимагають подальшої обробки. Незважаючи на це, усі зазначені схеми використовують зараз, тому що структури і властивості в тих самих матеріалах отриманих різними методами, можуть істотно відрізнятися.

Наприкінці 1999р. проф. Я.Ю. Бейгельзімером був запропонований новий метод ІПД, названий згодом гвинтовим пресуванням (ГП). У перших роботах зроблена оцінка деформованого стану заготівок, визначені енергосилові параметри. Проте експериментальні дослідження показали, поряд з ефективністю процесу, що теоретична оцінка не цілком відповідає реальній картині розподілу деформацій. Так, наприклад, в експериментах, на відміну від теорії, було показано, що деформація на осі заготівки не дорівнює 0. Крім того, не було розроблене технологічне оснащення, раціональні режими пресування заготівок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана за підтримкою гранту президента України для обдарованої молоді № “Одержання перспективних матеріалів з нанокристалічною структурою за новими технологіями” (здобувач – науковий керівник); держбюджетних тим “Закономірності формування та еволюції наноструктурного стану твердих тіл”, № держреєстрації 0100V003850, і “Фізика нових станів конденсованих систем, сформованих в умовах високого тиску”, № держреєстрації 0102V003201.

Мета і задачі дослідження. На основі дослідження течії металу в осередку деформації у процесі гвинтового пресування вирішити важливу науково-технічну задачу по удосконаленню способів накопичення великих ступенів пластичних деформацій в об'ємних заготівках і розробці технології одержання в них підвищених механічних характеристик.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені і вирішені наступні задачі:

- удосконалено устаткування і оснащення для реалізації процесу гвинтового пресування;

- розроблено технологічні положення реалізації процесу гвинтового пресування титану і міді на удосконаленому устаткуванні;

- вивчено механіку пластичної течії металу і визначено енергосилові параметри, величину і розподіл деформацій за перетином заготівки, накопичення ушкоджень у матеріалі заготівки, що обмежують гранично припустимий ступінь деформації заготівки при гвинтовому пресуванні;

- експериментально обґрунтовано можливість одержання міді і титану з високим комплексом механічних властивостей (сполучення високої міцності з високою пластичністю) методом гвинтового пресування;

- створено розрахункову базу параметрів гвинтового пресування.

Об'єкт дослідження: процес гвинтового пресування.

Предмет дослідження: напружено-деформований стан заготівок при гвинтовому пресуванні, енергосилові параметри процесу, показники якості заготівок.

Методи дослідження: Теоретичні дослідження енергосилових параметрів і ступеня накопиченої деформації виконані варіаційним методом з використанням ЕОМ. Експериментальне дослідження пластичної течії виконано методом фізичного моделювання. Для експериментального дослідження енергосилових параметрів використані методи тензометрії. Структури деформованих матеріалів вивчені методами оптичної і електронної мікроскопії. Механічні властивості визначені методом виміру мікротвердості і у випробуваннях зразків на розтягання.

Експериментальні дослідження проведені на спеціальному устаткуванні в Донецькому національному технічному університеті МОН України і Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна Національної академії наук України за оригінальними методиками, розробленими автором.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному.

Вперше показано, що при гвинтовому пресуванні швидкість течії металу, в основному, складається з двох компонентів: перший відповідає траєкторіям, що описують матеріальні точки, “вморожені” у поперечний переріз, що рухається по гвинтовому каналі, другий – руху матеріальних точок всередині контуру поперечного перерізу. Це призводить до того, що на вході і виході з осередку деформації є дві зони інтенсивної деформації.

Вперше встановлені співвідношення для визначення величини і розподілу накопиченої матеріалом деформації та енергосилових параметрів процесу, що враховують зазначені вище особливості течії металу. Теоретично і експериментально показано, що рух матеріальних точок всередині контуру поперечного перерізу призводить до вирівнювання деформації за перетином заготівки.

Визначені основні керуючі параметри гвинтового пресування: кут нахилу гвинтової лінії до осі пресування; відношення мінімального до максимального розмірів поперечного перерізу; величина протитиску; довжина калібруючої ділянки гвинтової матриці. Вперше вивчений характер їхнього впливу на показники якості заготівок.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена програма для ПЕОМ “Twist extrusion”, яка дозволяє розрахувати основні параметри процесу гвинтового пресування. Розроблене технологічне оснащення, технологія гвинтового пресування і основи технології накопичення великих ступенів деформації у заготівках міді марок М0 і М1 і титані марки ВТ1-0. Отримано об'ємні зразки міді і титану з високим комплексом механічних властивостей (сполучення високої міцності з високою пластичністю), що може бути пояснено сформованою в них ультрадрібнозернистою структурою.

Результати і рекомендації, що містяться в роботі, використані при розробці технології одержання УДЗ титану марки ВТ1-0, УДЗ міді марок М0 і М1 у Донецькому національному технічному університеті і Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України. Отримані зразки титану ВТ1-0 передані в НКТБ “Іскра”, м. Уфа, Росія, для дослідження і розробки технології одержання імплантатів для травматології та ортопедії; Інституту проблем надпластичності металів, м. Уфа, Росія, для розробки технології одержання листів із субмікрокристалевого титану марки ВТ1-0 комбінованим методом гвинтового пресування з наступною прокаткою.

Особистий внесок здобувача. Автором показано, що при гвинтовому пресуванні швидкість течії металу в основному складається з двох складових: перша відповідає траєкторіям, що описують матеріальні точки, “вморожені” у поперечній переріз, що рухається по гвинтовому каналі, друга – руху матеріальних точок всередині контуру поперечного перерізу; автором отримані співвідношення для визначення величини і розподілу накопиченої матеріалом деформації та енергосилових параметрів процесу, що враховують зазначені вище особливості течії металу. Автором теоретично і експериментально показано, що рух матеріальних точок усередині контуру поперечного переріза призводить до вирівнювання деформації за перетином заготівки; автором визначені основні керувальні параметри гвинтового пресування і вивчений характер їхнього впливу на показники якості заготівок. Автором розроблена програма для ПЕОМ “Twist extrusion”, що дозволяє розрахувати основні параметри процесу гвинтового пресування, технологічне оснащення, технологію гвинтового пресування й основи технології накопичення великих ступенів деформації у заготівках міді марок М0 і М1 і титані марки ВТ1-0. Автором разом з дослідницькою групою, у якій він працює, отримані об'ємні зразки міді і титану з високим комплексом механічних властивостей (сполучення високої міцності з високою пластичністю), що може бути пояснено сформованою в них ультрадрібнозернистою структурою.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорювалися на регіональних, всеукраїнських, всеросійських, євразійських і міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях, школах, семінарах. У тому числі: 2nd international conference “Nanostructured materials by severe plastic deformations”, December 9-13, 2002, Vienna, Austria; VII Международная конференция “Высокие давления 2002” Фундаментальные и прикладные аспекты, 14–18 октября 2002г., Донецк, Украина; міжнародна науково-технічна конференція “Пластична деформація металів”, 16-19 сентября 2002, г. Днепропетровск, Украина; Международная научно – техническая конференция “проблемы и перспективы развития процессов и машин обработки давлением”, 23-26 апреля 2002г., краматорск, украина; I-я Евразийская научно-практическая конференция “Прочность неоднородных структур”, 16-18 апреля 2002, г. Москва, Россия; The TMS 131st Annual Meeting and Exhibition, February 17-21, 2002, Seattle, WA, USA; XVI Уральская школа металловедов-термистов “Проблемы физического металловедения перспективных материалов”, 4-8 февраля 2002, г. Уфа, Россия; Всероссийская научно-практическая конференция “Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов”, 11 – 14 сентября 2001, г. Уфа, Россия; 4th International High Pressure School on Chemistry, Biology, Materials Science and Techniques, June 22 – 25, 2001, Warsaw, Poland; Международная конференция “Физика и промышленность”, 14-16 мая 2001, Москва, Россия; Міжнародна науково-технічна конференція “Удосконалення процесів і обладнання виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудування, 23–25 Квітня, 2001 р., Краматорськ, Украина; IV Уральская школа-семинар молодых ученых по физике конденсированного состояния, 29 ноября – 03 декабря, 2000 г., Екатеринбург, Россия; міжнародна науково-технічна конференція “Удосконалення процесів і обладнання виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудування”, 18 – 20 Жовтня, 2000 р., Краматорськ – Словянськ, Україна, объединенном семинаре ДонНТУ, ДонНИИЧЕРМЕТа (2000-2002г.г.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 друкованих праць у наукових журналах і збірниках наукових праць, 6 із них включено до списку фахових видань ВАК України.

Структура й об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг роботи 172 сторінки машинописного тексту, у тому числі 139 сторінок основного тексту, 44 рисунки, 8 таблиць, 2 додатки і список використаних джерел із 164 найменувань.

Автор висловлює глибоку подяку к.т.н., с.н.с. С.Г. Синкову, к.т.н. А.П. Міть’-єву, О.В. Решетову за допомогу в проведенні експериментальних технологічних досліджень; к.т.н., с.н.с. Б.М. Ефросу, к.ф-м.н., с.н.с. О.Г. Пашинській, д.т.н., проф. С.В. Добаткіну, д.т.н., проф. В.В. Столярову, Х.Ш. Салімгареєву, а також співробітникам відділу “Фізики високих тисків і перспективних технологій” ДонФТІ НАН України, м. Донецьк, Україна й Інституту фізики перспективних матеріалів УГАТУ, м. Уфа, Росія, за допомогу у проведенні експериментальних металографічних досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дане обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, показаний зв'язок роботи з науковими темами. Приведено наукову новизну і практичну цінність дослідження, а також відомості про використання результатів, апробації роботи і публікаціях за темою дисертації.

У першому розділі на основі огляду літературних джерел показано, що останнім часом значно виріс інтерес до процесів ОМТ, що дозволяють накопичувати великі ступені деформації у заготівках. У першу чергу це пов'язано з тим, що в результаті великих деформацій у матеріалах формується УДЗ структура, і вони набувають унікальні фізико-механічні властивості. У багатьох лабораторіях світу розробляються методи обробки тиском, що дозволяють одержувати УДЗ матеріали і вивчаються властивості цих матеріалів. Значний внесок у цю область досліджень внесли В.М Сегал, В.П. Копилов, Р.З. Валієв, В.З. Спусканюк, Я.Ю. Бейгельзімер, В.В. Столяров, Ю.Н. Підрізов, С.А. Фірстов, Г.А. Саліщев, В.В. Рибін, С.В. Добат-кін, В.П.Пілюгін, Ю.Р.Колобов і ін.

На основі аналізу різних способів деформаційного впливу на матеріал з метою підготовки його структури і властивостей з погляду обробки тиском сформульовані дві основні вимоги для створення універсальних і ефективних процесів формування властивостей і одержання однорідної дрібнозернистої структури у матеріалах:

- ідентичність початкової і кінцевої форми та розмірів оброблюваної заготівки;

- циклічність деформації, при цьому деформація одного знака повинна бути не менше визначеної величини.

До розроблювальних нових схем ІПД відносять рівноканальне багатокутове пресування, пісковий годинник, пакетну гідроекструзію й ін. Однією з найбільш перспективних схем є гвинтове пресування (ГП) – новий спосіб поліпшення механічних характеристик і пророблення структури, запропонований у 1999р. у ДонФТІ НАНУ проф. Бейгельзімером Я.Ю. Суть ГП полягає в тому, що призматичну заготівку пропускають через матрицю з гвинтовим каналом. Кут нахилу гвинтової лінії до напрямку осі екструзії змінюється по висоті матриці, причому на її початковій і кінцевій ділянках він дорівнює нулю (, а). Зазначені особливості геометрії каналу приводять до того, що при видавлюванні через нього зберігається ідентичність початкової і кінцевої форми і розмірів оброблюваної заготівки, а це, у свою чергу, дозволяє здійснювати її багаторазове пресування з метою накопичення великих ступенів деформацій.

На відміну від запропонованих раніше і схем, що зараз одержали найбільше застосування, у ГП є більш широкі технологічні можливості у плані геометрії одержуваних заготівок, включаючи профілі з осьовим каналом.

У перших роботах процес ГП був досліджений у недостатній мері. Запропоноване поле швидкостей має вигляд

, (1)

де x, y, z – координати точки в Декартовій системі координат, вісь z якої спрямована уздовж осі екструзії; V1x, V1y, V1z – компоненти вектора швидкості ; V0 – швидкість руху заготівки у напрямку осі екструзії; R – радіус кола, описаного навколо контуру перетину заготівки;  – кут нахилу гвинтової лінії, розташованої на відстані R від осі екструзії.

Однак, як було зазначено у вступі, це поле не описувало адекватно процес ГП, внаслідок чого неможливо було розробити ефективні технології обробки матеріалів цим методом.

а б

Рис. 1. Схема гвинтового каналу при ГП (а) і прийнята в роботі залежність зміни функції P(z) (б); C1 і C2 – вільні варійовні параметри які, що отримуються з мінімізації функціоналу потужності

Крім того, не було вивчене питання накопичення ушкоджень і руйнування металів при ГП, а він має велике значення при накопиченні великих ступенів деформації.

На підставі цього були поставлені задачі для дослідження.

Другий розділ присвячений фізичному моделюванню і теоретичному дослідженню напружено-деформованого стану (НДС) заготівок при ГП із метою виявлення основних параметрів процесу й оцінки їхнього впливу на енергосилові параметри гвинтового пресування, ступінь і розподіл накопиченої матеріалом деформації і мікропошкодження.

Проведене фізичне моделювання процесу гвинтового пресування дозволило зробити наступні висновки.

1. У ході ГП кожна матеріальна точка зразка бере участь у двох рухах. Перший зв'язаний з переміщенням і обертанням (як цілого) того перетину зразка, до якого належить ця точка. Другий – з перетіканням матеріалу що деформується всередині зазначеного перетину.

2. Основними параметрами процесу гвинтового пресування є кут нахилу гвинтової лінії до осі пресування , висота каналу h, або кут повороту вихідного перетину щодо вхідного, співвідношення сторін у поперечному перерізі каналу a/b, величина тертя (величина коефіцієнта тертя f), величина протитиску q.

Теоретична задача вирішена варіаційним методом на основі побудови кінематично можливого поля швидкостей (КМПШ). Останнє побудоване виходячи з висновків, зроблених після проведення експериментів на модельних матеріалах.

КМПШ представлено у вигляді суми двох полів:

, (2)

де – кінематично можливе поле швидкостей:  – складова КМПШ, зв'язана з рухом перетину як цілого (складові аналогічні приведеним у перших роботах по ГП);  – складова КМПШ, зв'язана з перетіканням металу всередині перетину.

Вираз для отримано на підставі того, що для нестисливого потоку, обмеженого стінками каналу, поле швидкостей має вигляд:

, (3)

де  – так звана функція форми каналу, що задовольняє наступним умовам: на стінках каналу =0, всередині каналу >0, поза каналом – <0;  – функція що варюється.

У роботі при побудові виражень для використаний апарат теорії R-функцій. Це дозволило розробити метод одержання виражень для каналів досить складного перетину.

Векторна функція Р представлена у вигляді:

. (4)

У роботі показано, що такий вид функції (4) є досить загальним при описанні течії металу без подовження заготівки.

Графічне відображення залежності P(z) показане на , б.

Через те, що не усі функції диференційовні, диференціювання в роботі виконано чисельним методом з локальним згладжуванням “за п'ятьма точками”.

Величина накопиченої деформації обчислена за формулою

, (5)

де інтегрування відбувається уздовж траєкторії руху конкретної матеріальної частки.

Функціонал повної потужності (співвідношення для визначення тиску пресування) має вигляд:

, (6)

де s – опір деформованого матеріалу пластичної деформації; 2a і 2b – довжини сторін прямокутника, що обмежує контур поперечного перерізу гвинтового каналу; Sк – площа поверхні заготівки на контакті заготівка-інструмент; f – коефіцієнт пластичного тертя; vc – швидкості ковзання металу по поверхні контакту, протилежно напрямлені силам тертя k.

У роботі прийнятий підхід, відповідно до якого кількісною мірою пошкодження матеріалу є величина його деформаційної мікропористості. Остання однозначно визначає технологічну пластичність металу.

Зміна деформаційної пористості металу при ГП вивчена шляхом інтегрування кінетичного рівняння, що враховує процеси зародження і заліковування мікропор

, (7)

де – пористість матеріалу; – параметр, що характеризує здатність структурних елементів матеріалу до акомодації; aа – параметр, що характеризує морфологію несуцільностей; q – протитиск; p – тиск пресування; h – висота гвинтового каналу; – інтенсивність деформації зсуву.

Математичне моделювання ГП дало можливість кількісно оцінити вплив параметрів, визначених при фізичному моделюванні, і рекомендувати наступні діапазони їхнього варіювання для експериментальних досліджень:

- раціональні значення кута нахилу гвинтової лінії до осі пресування з позиції поставленої задачі накопичення великих ступенів деформації при максимально можливому рівномірному їхньому розподілі за перетином заготівки і мінімального тиску пресування знаходяться в діапазоні (2060), хоча в цьому ж діапазоні спостерігається і найбільш інтенсивне зростання пошкодження. Однак цей фактор можна знижувати за рахунок регулювання інших параметрів процесу ГП (наприклад, протитиску);

- для накопичення досить великих ступенів деформації, найбільш рівномірного їхнього розподілу за перетином заготівки і мінімального тиску пресування раціональні значення кута повороту вихідного перетину щодо вхідного лежать у діапазоні (70110);

- для максимально рівномірного розподілу деформацій за перетином заготівки і мінімального тиску пресування найкраще співвідношення a/b(0,60,8);

- для “локалізації” осередку деформації варто зменшувати тертя на контактних поверхнях до значень коефіцієнта тертя, що не перевищують 0,3;

- при технологічній реалізації ГП для того, щоб форма заготівки не змінювалася, і жорстко забезпечувалися кінематичні умови процесу, необхідно прикладати осьовий протитиск порядку 1,52 границь текучості матеріалів що деформуються.

У третьому розділі обґрунтований вибір міді марок М1 і М0, титану марки ВТ1-0 для експериментальних досліджень процесу ГП. При виборі цих матеріалів брали до уваги наступні обставини:

- доцільність вивчення технологічних режимів і особливостей матеріалів з погляду їхньої здатності до накопичення великих ступенів пластичної деформацій в інтенсивних режимах з мінімальною пошкоджуваністю;

- можливість одержання в них УДЗ структури доведена іншими методами ІПД;

- досліджувані матеріали повинні мати промислове застосування.

Розроблене і створене технологічне оснащення, яке дозволило проводити систематичні експериментальні дослідження процесів гідростатичного і гідромеханічного ГП в умовах високого тиску; розроблені методики проведення експериментальних досліджень процесу гвинтового пресування міді марок М1 і М0, титану марки ВТ1-0.

Ґрунтуючись на теоретичних дослідженнях процесу ГП, виконаних у розділі , обрані наступні діапазони зміни параметрів: кут нахилу гвинтової лінії гвинтового каналу до осі пресування =30, 45 і 60; кут повороту вихідного перетину матриці щодо вхідного =90; відношення сторін поперечного перерізу гвинтового каналу a/b=1 (14х14 мм); 0,88 (14х16 мм) і 0,60 (15х25 мм). Величину тертя у осередку пластичної деформації прагнули максимально знизити, для чого в експериментах використовувалися такі робочі рідини і мастила: індустріальна олія І-30, суміш індустріальної олії І-30 і 30гасу, касторова олія; між заготівкою і деформуючим інструментом – мастила на основі технічного воску з добавками касторової олії і каніфолі для мідних заготівок і формування оксидної плівки з наступним нанесенням дисульфіду молібдену чи нітриду бора для титанових заготівок. Протитиск q(0600) МПа. Довжина калібруючого пояска гвинтової матриці, LIII=r, a, b і d (r і d - відповідно радіус і діаметр кола, описаного навколо контуру поперечного перерізу гвинтового каналу); швидкість пресування 2,53,0 мм/с.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню процесу гвинтового пресування. При цьому вивчений вплив кута нахилу гвинтової лінії гвинтового каналу до осі пресування , співвідношення сторін поперечного перерізу гвинтового каналу a/b, довжини пояска гвинтової матриці, що калібрує, робочих рідин і мастил, протитиску на енергосилові параметри процесу, показники якості оброблюваних заготівок. Ці дослідження показали наступне.

Для мінімізації тиску гідростатичного і гідромеханічного ГП для міді М0 переважніше кути 60, для титану ВТ1-0 – 45 ().

Рис. 2. Залежність тиску пресування міді М0 (а) і титана ВТ1-0 (б) від кута нахилу гвинтової лінії до осі пресування (Суцільні лінії – розрахункові значення тиску пресування, точки – експериментальні).

З метою збереження геометричних параметрів заготівки і підвищення рівня гідростатичного тиску у осередку деформації довжина пояска гвинтової матриці, що калібрує, повинна бути не меншою від діаметра кола, описаного навколо поперечного перерізу гвинтового каналу.

Співвідношення (1)-(4), (6), отримані в другому розділі, з достатньою точністю (погрішність не перевищує 15()дозволяють розрахувати енергосилові параметри гвинтового пресування.

Кожна зі схем, використаних для проведення експериментальних досліджень, має свої достоїнства і недоліки, що обумовлюють потенційну область її застосування:

- гідростатичне ГП, забезпечує високу пластичність металу і малі витрати на тертя. Гідростатичне ГП із керованим “пострілом” заготівки дозволяє здійснювати високошвидкісну інтенсивну деформацію. Швидкість деформації при цьому може досягати 104 з-1. Основні проблеми пов'язані з необхідністю ущільнення заготівки і тим, що вкрай складно реалізувати керування процесом. Екструзія заготівок у матриці проходить нестабільно, з високою швидкістю і наступним “пострілом”, що, у свою чергу, приводить до сильного деформаційного розігріву заготівки, що негативно відбивається на формуванні структури і властивостей матеріалів;

- гідромеханічне ГП не має проблем, пов'язаних з ущільненням заготівки. При цьому пластичність металу висока завдяки тиску навколишньої рідини. Однак величина максимальної деформації за один прохід обмежена стійкістю заготівки. Більш докладно це питання розглянуте у п'ятому розділі.

Експерименти і їхнє зіставлення з роботами інших авторів по ГП показали наявність достатньо інтенсивного зміцнення в центральній області мідної заготівки, що відповідає теоретичним результатам. Той факт, що твердість міді після першого проходу ГП коливається біля деякого фіксованого середнього значення говорить про досить великий рівень деформації, тому що для опору деформації цей ефект спостерігається при деформаціях більше ніж 12.

Дослідження, у тому числі й інших авторів, показали, що для формування однорідної УДЗ структури у міді М1 і М0 і титані марки ВТ1-0 досить 3 переходів гвинтового пресування.

У п'ятому розділі розроблені методичні вказівки за технологією гвинтового пресування титану і міді на удосконаленому устаткуванні.

З цією метою досліджена стійкість заготівки при гідромеханічному ГП. Показано, що при всіх перевагах, властивих цьому процесу, він ефективний лише для одержання заготівок у лабораторних умовах, тому що при обробці досить довгомірих заготівок спостерігається втрата стійкості останніх (пластична деформація заготівок починається до їхнього входу в гвинтовий канал). Для дослідно-промислового використання більш перспективний процес гвинтового пресування, побудований за схемою прямого пресування.

На прикладі технічно чистої міді експериментально обґрунтована можливість накопичення великих ступенів деформації й одержання високих механічних характеристик за цією технологією.

При розробці технології інтенсивної пластичної деформації методом прямого гвинтового пресування рекомендовано: кут нахилу гвинтової лінії до осі пресування приймати рівним 60 для пресування міді і 45 – титану; кут повороту вихідного перетину щодо вхідного приймати рівним 90; співвідношення меншої до більшої сторони поперечного перерізу гвинтового каналу приймати рівним 0,60,8; довжину заходження частини гвинтового каналу підбирати в залежності від довжини заготівок що деформуються; довжина гвинтової частини каналу визначається співвідношенням між розмірами поперечного перерізу каналу і кутами нахилу гвинтової лінії до осі пресування і повороту вихідного перетину каналу щодо вхідного; довжина ділянки каналу, що калібрує, повинна бути не меншою діаметра кола, описаного навколо поперечного перерізу гвинтового каналу; у ділянці, що калібрує, передбачити зменшення поперечного перерізу каналу на величину LI/LIII(1,01,1); прагнути забезпечити мінімальну величину тертя у гвинтовому каналі, що не перевищує 0,3s; забезпечувати протитиск порядку (1,52)s матеріалу що деформується; грубо оцінити інтенсивність деформації за прохід ГП можна за простим інженерним співвідношенням в діапазоні кутів (2060).

Розроблено установку для гвинтового пресування, заснованого на схемі прямого пресування, що дозволяє здійснювати деформацію заготівок поперечним перерізом 15х25 мм і довжиною до 100 мм ().

Рис. 3. Схема установки для прямого гвинтового пресування

Індустрія УДЗ металів і сплавів знаходиться на початкових стадіях розвитку і, тому, зараз дуже важливо розширювати спектр методик і технологій одержання таких матеріалів. Тому оцінити економічний ефект від упровадження гвинтового пресування дуже важко. Його можна буде зробити після розробки конкретних промислових технологій. Про практичну цінність свідчить те, що зразки, отримані в результаті розробок, приведених у роботі, зараз використовують у ряді дослідницьких лабораторій, де вивчають їхні властивості, оцінюють області можливого застосування. Зокрема.

1. У ДонФТІ НАНУ використовують розроблені установки, методики проведення експериментальних і технологічних досліджень. Проводять вивчення властивостей і структури отриманих зразків з міді марок М0 і М1, титану марки ВТ1-0 у рамках держбюджетних тем “Закономірності формування та еволюції наноструктурного стану твердих тіл”, № держреєстрації 0100V003850, і “Фізика нових станів конденсованих систем, сформованих в умовах високого тиску”, № держреєстрації 0102V003201.

2. За замовленням фірми “Дженерал електрик” у рамках партнерського проекту НТЦУ P118 “Попереднє дослідження здрібнювання зерна в сплавах Ti-64 і інконель 718 методом гвинтового пресування” використовуються рекомендації, приведені в роботі для одержання зразків з Ti-64 і Inkonel 718 з УДЗ структурою.

3. Результати роботи використовуються в Інституті проблем надпластичності РАН, м. Уфа, Росія, для розробки технології одержання листів із субмікрокристалевого титану марки ВТ1-0, комбінованим методом гвинтового пресування з наступною прокаткою.

4. В Інститут фізики перспективних матеріалів Уфимського державного авіаційно-технічного університету, м. Уфа, Росія, для вивчення структури, фізико-механічних властивостей передані зразки титанового сплаву ВТ1-0 розміром 14х16х50 мм після ГП (результати досліджень приведені в главі 4). Крім того, були передані також зразки міді М1 після деформації РККП з наступним ГП.

5. За замовленням Інституту проблем матеріалознавства ім. І.Н. Францевича НАН України виготовлені і передані зразки титану ВТ1-0 і міді М1 для вивчення структури і властивостей.

6. У НКТБ “Іскра”, м. Уфа, Росія, передані зразки титану ВТ1-0 для вивчення властивостей. Розробляється технологія виробництва імплантатів для травматології й ортопедії гвинтовим пресуванням з наступною прокаткою.

Про результати використання розробок у дисертації представлені відповідні офіційні довідки.

ВИСНОВКИ

У виконаній роботі гвинтове пресування одержало теоретичний і експериментальний розвиток як спосіб накопичення великих ступенів пластичних деформацій, що забезпечують формування комплексу підвищених механічних властивостей (сполучення високої міцності з високою пластичністю), що може бути пояснено сформованою в них ультрадрібнозернистою структурою.

1. Вперше показано, що при гвинтовому пресуванні швидкість течії металу в основному складається з двох компонентів: перший відповідає траєкторіям, що описують матеріальні точки, “вморожені” у поперечний переріз, який рухається по гвинтовому каналі, другий – рухові матеріальних точок всередині контуру поперечного перерізу. При цьому на вході і виході з осередку деформації є дві зони інтенсивної деформації.

2. Вперше отримані співвідношення для визначення величини і розподілу накопиченої матеріалом деформації й енергосилових параметрів процесу, що враховують зазначені вище особливості течії металу. Теоретично й експериментально показано, що рух матеріальних точок всередині контуру поперечного перерізу призводить до вирівнювання деформації за перетином заготівки.

3. Визначені основні керуючі параметри гвинтового пресування: кут нахилу гвинтової лінії до осі пресування; відношення мінімального до максимального розмірів поперечного перерізу; протитиск; довжина ділянки гвинтової матриці, що калібрує. Вперше вивчений характер їхнього впливу на показники якості заготівок.

- Кут нахилу гвинтової лінії до осі пресування: в основному впливає на ступінь деформації за прохід (чим він більше, тим деформація більша), на тиск пресування (при фіксованому куті повороту вихідного перетину щодо вхідного для заданого перетину є мінімум тиску). Раціонально приймати кути 60 для пресування міді і 45 – титану.

- Показано, що відношення мінімального до максимального розміру поперечного перерізу в основному визначає внески складових течії і ширину зони інтенсивної деформації на вході і виході з осередку деформації. Чим менше це відношення, тим більший внесок першої складової і вужчі ці зони. Раціональні значення цього показника лежать у діапазоні 0,60,8.

- Протитиск впливає в основному на пластичність металу, форму заготівки, величину тиску пресування і ширину зон інтенсивної деформації (чим більший рівень протитиску, тим більша пластичність матеріалів які деформуються, краще заповнення каналу металом і вужчі зони інтенсивної деформації). Доцільніше всього забезпечувати протитиск порядку (1,52)s матеріалу що деформується.

- Довжина калібруючої ділянки гвинтової матриці, в основному впливає на форму вихідної заготівки і рівень протитиску. Її величина повинна бути не меншою діаметра кола, описаного навколо поперечного перерізу гвинтового каналу.

4. Розроблено програму для ПЕОМ “Twist extrusion”, що дозволяє розрахувати основні параметри процесу гвинтового пресування: тиск пресування, інтенсивність швидкості деформації, інтенсивність деформації і мікропористість у будь-якій точці перетину заготівки.

5. Отримане регресійне співвідношення для оцінки інтенсивності деформації за прохід у залежності від основного керуючого параметра гвинтового пресування – кута нахилу гвинтової лінії до осі пресування. Співвідношення застосовне в діапазоні кутів (2060).

6. Розроблена і досліджена установка для реалізації гвинтового пресування, заснована на схемі прямого пресування в режимі “заготівка за заготівкою”.

7. Розроблено технологію гвинтового пресування та основи технології накопичення великих ступенів деформацій, що забезпечують формування комплексу підвищених механічних властивостей (сполучення високої міцності з високою пластичністю), що може бути пояснено утвореною ультрадрібнозернистою структурою у заготівках міді марок М0 і М1 і титану марки ВТ1-0. Отримані об'ємні зразки міді марок М0 і М1 і титану марки ВТ1-0 з комплексом підвищених механічних властивостей (сполучення високої міцності з високою пластичністю), що може бути пояснено сформованою в них ультрадрібнозернистою структурою.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ За ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

1. Винтовое прессование: технологические аспекты / Я.Е. Бейгельзимер, Д.В. Орлов, С.Г. Сынков, А.В. Решетов // Физика и техника высоких давлений, 2002. - Т. , № . - c.40-46.

2. Бейгельзимер Я.Е., Орлов Д.В., Минаев А.А. Винтовое прессование: механика и приложение // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 5. Пластична деформація металів, Дніпропетровськ: “Системні технології”. – 2002. - с.304-308

3. Beygelzimer.Y., Orlov.V. Metal plasticity during the twist extrusion // Defect and Diffusion Forum. V.208-209, 2002. – Pp.311-314;

4. Бейгельзимер Я.Е., Орлов Д.В. Получение ультрамелкокристаллических материалов методом винтового прессования / Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Тематич. зб. наук. пр. Краматорськ, 2002. – с.235-244;

5. BeygelzimerOrlovand VaryukhinA new severe plastic deformation method: Twist Extrusion // Ultrafine Grained Materials II / Proceed. of TMS Annual Meeting in Seattle, WA. Feb.17-21, 2002. – рp.297-304;

6. Microstructural evolution of titanium under twist extrusion / BeygelzimerVaryukhinOrlovEfrosStolyarovSalimgareyev// Ultrafine Grained Materials II / Proceed. of TMS Annual Meeting in Seattle, WA. Feb.17-21, 2002. – Рp.43-46;

7. Особенности формирования ультрамикрокристаллической структуры титана при винтовом прессовании / Я.Е. Бейгельзимер, Б.М. Эфрос, Д.В. Орлов, Заика Т.П., Сынков С.Г. // Физика и техника высоких давлений, 2001. - Т. , № . - c.25-30;

8. Особенности течения материалов при винтовом прессовании / Бейгельзимер Я.Е., Орлов Д.В., Сынков С.Г., Митьев А.П., Решетов А.В, Прилепо Д., Домарева А.С. / Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр. – Краматорськ, 2001. – С.203-208;

9. Бейгельзимер Я.Е., Орлов Д.В. Верхняя оценка величины исчерпания ресурса пластичности металла при прессовании через матрицу с винтовым каналом / Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр. – Краматорськ-Слов’янськ, 2000. – С.172-176.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах:

[] – виконані експериментальні дослідження, їх аналіз і зіставлення з результатами розрахунків, отримано регресивне співвідношення для розрахунку інтенсивності деформацій за цикл гвинтового пресування у залежності від кута нахилу гвинтової лінії до осі пресування в діапазоні кутів (2060).

[] – написана програма для розрахунку за співвідношеннями математичної моделі, виконане дослідження особливостей течії металів при ГП.

[] – розроблена модель накопичення пошкодження матеріалу при ГП, написана програма для розрахунку.

[] – виконано аналіз літературних джерел, розрахунок ступеня накопиченої деформації матеріалів.

[] – розроблені співвідношення для визначення енергосилових параметрів і ступеня накопиченої деформації при ГП.

[] – розроблена методика проведення ГП титанового сплаву ВТ1-0.

[] – розроблена методика проведення ГП титанового сплаву ВТ1-0, обробка експериментальних даних.

[] – розроблена методика проведення фізичного моделювання і модельна установка для ГП, обробка експериментальних даних.

[] – розроблені співвідношення для оцінки величини вичерпання ресурсу пластичності металу при ГП, виконане математичне моделювання.

АНОТАЦІЯ

Орлов Д.В. Розвинення теорії і розробка технології гвинтового пресування титану і міді. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском. – Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

Дисертація присвячена розвиненню теорії і розробці технології гвинтового пресування титану і міді.

У роботі показано, що при гвинтовому пресуванні швидкість течії металу в основному складається з двох компонентів: перший відповідає траєкторіям, що описують матеріальні точки, “вморожені” у поперечний переріз, що рухається по гвинтовому каналі, другий – рухові матеріальних точок всередині контуру поперечного перерізу. Це призводить до того, що на вході і виході з осередку деформації є дві зони інтенсивної деформації і, між ними, – зона щодо малої деформації. Отримано співвідношення для визначення величини і розподілу накопиченої матеріалом деформації й енергосилових параметрів процесу, що враховують зазначені вище особливості течії металу. Теоретично і експериментально показано, що рух матеріальних точок всередині контуру поперечного перерізу призводить до вирівнювання деформації за перетином заготівки. Визначено основні керуючі параметри гвинтового пресування: відношення мінімального до максимального розмірів поперечного перерізу; кут нахилу гвинтової лінії до осі пресування; протитиск; довжина ділянки гвинтової матриці, що калібрує. Вивчено характер їхнього впливу на показники якості заготівок.

На основі отриманих співвідношень розроблена програма для ПЕОМ “Twist extrusion”, що дозволяє розрахувати основні параметри процесу гвинтового пресування. Розроблено технологічне оснащення, технологія гвинтового пресування і основи технології накопичення великих ступенів деформації у заготівках міді марок М0 і М1 і титану марки ВТ1-0. Отримано об'ємні зразки міді марок М0 і М1 і титану марки ВТ1-0 з підвищеними механічними властивостями (сполучення високої міцності і пластичності), що може бути пояснено сформованою в них ультрадрібнозернистою структурою.

Ключові слова: інтенсивна пластична деформація (ІПД), ультрадрібнозерниста (УДЗ) структура, механічні властивості, гвинтове пресування (ГП), варіаційний метод, поле швидкостей, мідь М1, мідь М0, титан ВТ1-0.

Аннотация

Орлов Д.В. Развитие теории и разработка технологии винтового прессования титана и меди. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – Процессы и машины обработки давлением. – Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2003.

в последние годы все большее внимание исследователей, работающих в области физического материаловедения, привлекают интенсивные пластические деформации (ИПД). Под ИПД, как правило, понимают процессы обработки металлов давлением (ОМД), позволяющие накопить в объемных заготовках большие степени деформации. Вследствие этого в обрабатываемых материалах формируется ультрамелкозернистая (УМЗ) структура и они приобретают уникальные свойства.

Сейчас достаточно хорошо разработаны три метода ИПД: кручение тонких заготовок в наковальнях Бриджмена, равноканальное угловое прессование (РКУП) и всесторонняя ковка (ВК). В конце 1999г. проф. Я.Е. Бейгельзимером был предложен новый метод ИПД, названный впоследствии винтовым прессованием (ВП). В первых работах было оценено деформированное состояние заготовок, определены энергосиловые параметры. Однако экспериментальные исследования показали, наряду с эффективностью процесса, и то, что теоретическая оценка не полностью соответствует реальной картине распределения деформаций, не была разработана технологическая оснастка, рациональные режимы прессования заготовок.

Диссертация посвящена развитию теории и разработке технологии винтового прессования титана и меди.

В работе показано, что при винтовом прессовании скорость течения металла, в основном, состоит из двух компонент: первая соответствует траекториям, которые описывают материальные точки, “вмороженные” в поперечное сечение, движущееся по винтовому каналу, вторая – движению материальных точек внутри контура поперечного сечения. Это приводит к тому, что на входе и выходе из очага деформации имеются две зоны интенсивной деформации. Установлены соотношения для определения величины и распределения накопленной материалом деформации и энергосиловых параметров процесса, учитывающие указанные выше особенности течения металла. Теоретически и экспериментально