Oblast techniky

Vynález se týká oblasti tváření materiálů, zvyšování užitných vlastností materiálů.

Dosavadní stav techniky

Technicky lze uvést, že technologie ECAP (equal channel angular pressing) neboli úhlové protlačování, je v současnosti řešena využitím matric, buď dělených, nebo vyrobených z jednoho kusu. Matrice bývají umístěny v pouzdrech, které umožňují jejich použití v případě dělených matric a zároveň splnění napěťových nároků plynoucích z technologie samotné. V matricích je vytvořena dutina (kanál) s konstantním průřezem po celé její délce. Tato dutina je složena ze dvou částí, které na sebe vzájemně navazují. Návaznost obou částí je řešena ohybem dutiny, přičemž poloha první části dutiny je vůči druhé vymezena úhlem Φ. Tento může nabývat teoreticky hodnot v rozmezí 0 až 180°. Díky ECAP lze dosáhnout velmi výrazného zjemnění zrn tvořících strukturu zpracovávaného materiálu. Je známo, že strukturní stav materiálu přímo souvisí s mechanickými vlastnostmi. Nej lepší výsledky z hlediska dosažených finálních mechanických vlastností jsou zjištěny při použití úhlů v rozmezí 90 až 125 °C. Pro materiály s nižším deformačním odporem lze využít matrici s úhlem 90°, nicméně některé materiály zejména s vysokým deformačním odporem (taktéž materiály s vysokou teplotou tání) díky svým materiálovým vlastnostem vyžadují užití matric s úhly vyššími než 90°.

Při samotné technologii je materiál o definovaném průřezu (kruhovém nebo n-úhelníkovém) vkládán (přiváděn) do první části kanálu a dále pak protlačován tlakovou silou (tlakem) působící na jeho horní konec skrze vytvořenou dutinu v matrici. V momentě kdy protlačovaný materiál dospěje ke konci první části kanálu (tj. k ohybu, jenž spojuje první část kanálu s druhou částí) je díky úhlu sklonu obou částí kanálu (Φ) přinucen změnit vektor svého pohybu. Tato změna směru toku materiálu na poměrně krátké vzdálenosti, jejíž délka je dána především poloměrem ohybu kanálu, umožňuje vyvolat v materiálu v místě ohybu intenzívní smykovou deformaci. Smyková deformace je hlavní parametr při zjemňování zrn, tj. vzniku ultra-jemnozmné struktury. Proces je díky konstrukčnímu provedení matrice opakovatelný. To znamená, že se rozměry protlačovaného materiálu nemění a je umožněno další zjemňování struktury a tím i zvyšování jeho užitných vlastností.

Velikost vzniklé smykové deformace je dána jednak úhlem Φ a dále taktéž i dalšími faktory. Mezi tyto lze řadit rychlost protlačování, velikost tření vzniklého na stykových plochách mezi protlačovaným materiálem a stěnami kanálu. Velikost vložené smykové deformace do materiálu při protlačování je jedním z rozhodujících faktorů při zvyšování finálních vlastností takto tvářených materiálů. Průměrná velikost vložené deformace za jeden průchod se pohybuje u současných konstrukčních provedení v rozmezí ~0,9 až 1,2. Jelikož jsou výsledné vlastnosti každého materiálu odrazem jeho struktury, platí relace mezi průměrnou velikostí zrna a dosaženými mechanickými vlastnostmi.

Homogenita vkládané deformace při ECAP je tedy úměrná počtu průchodů skrze matrici. To je jedna z nevýhod této technologie, neboť při požadavku vyšší hodnoty vložené deformace je nutno zvýšit počet průchodů skrze matrici. Dalším z negativ tohoto procesu je i fakt, že vkládaná deformace v závislosti na úhlu Φ, velikosti tření či rychlosti protlačování je vždy do určité míry nehomogenní po průřezu resp. objemu takto zpracovávaného materiálu.

V současnosti používané techniky protlačování se dají dělit dle více hledisek. Klasické protlačování lze rozdělit na dopředně a zpětné. Při těchto způsobech je rozhodující vzájemný směr toku materiálu a daného průtlačníku, který oba typy rozlišuje. Toto se uskutečňuje především v kon- i CZ 304778 136 tejnerech, kde je vkládán materiál, jehož teplota je zvolena dle jeho materiálových vlastností. Je třeba uvést, že při dopředném i zpětném protlačování dochází vždy ke změně tvaru respektive rozměrů tvářeného materiálu. Tento druh protlačování je nespojitým procesem, tudíž výsledná délka takto získaného materiálu je závislá na objemu materiálu v kontejneru. Tímto způsobem se dají vyrábět zejména profily, ozubená kola, výrobky speciálních tvarů. Mezi hlavní nevýhody patří zmiňovaná nespojítost technologie (možnost zpracování jen určitého objemu materiálu), spolu s nutnými ztrátami materiálu danými samotnou technologií (zbytek, který nelze vytlačit z kontejneru). Další nevýhodou je získání mikrostruktury s poměrně velkými zrny. Toto spolu s tím, že velikost vložené deformace je omezena pouze jediným průchodem redukcí průřezu kontejneru na vstupní a výstupní straně, řadí mezi technologie určené pro přípravu materiálů běžných mechanických a fyzikálních vlastností. Jako limitující faktor technologie lze označit i nutné změny tvaru tzn. rozměrů.

Další skupinou protlačování je úhlové protlačování (ECAP), to je zaměřeno k využití pro přípravu ultrajemnozmných materiálů (UFG) (průměrná velikost zrn je pod 1000 nm), resp. nanomateriálů (materiálů kde je průměrná velikost zrna nižší než 100 nm). U takto tvářených materiálů se očekávají vysoké pevnostní i plastické vlastnosti, překonávající vlastnosti současně vyráběných klasických materiálů. ECAP je jednou z technologií patřících do skupiny SPD technologií (severe plastic deformation), jenž je založena na vkládání extrémních velikostí deformací do materiálů bez jejich změny tvaru a průřezu. Nevýhodou této technologie je poměrně malá velikost vložené deformace během jednoho průchodu a částečná nehomogenita deformace po průřezu v závislosti na okrajových podmínkách deformace. S tím je spojena například i nutnost mazání protlačovaného materiálu během každého průchodu. Další ze skupiny SPD technik zaměřených na získání materiálu s UFG strukturou je Twist extrusion (TE). I tato metoda je uzpůsobena pro zpracování především kovových materiálů s cílem zvýšit jejich finální vlastnosti. Velkou nevýhodou metody je ale faktor nehomogenity deformace, která značně ovlivní hodnoty výsledných vlastností. Důvodem velkých rozdílů v hodnotách vložených deformací je charakter toku materiálu během TE. Kromě zmíněných negativ se u TE přidává ještě nutnost použití zpětného tlaku či limitovaný tvar dutiny, pro získání vzorku tvarově (rozměrově) totožného s původním materiálem.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje způsob protlačování materiálu se zkratem, kdy je materiál po svém vložení do vertikální části kanálu matrice protlačován za teploty, která je nižší nežli teplota rekrystalizace daného materiálu, skrze zkrat, za kterým následuje ohyb v rozmezí 0 až 180°, kterým materiál musí rovněž projít. Princip způsobu spočívá v působení tlakem na horní konec zpracovávaného materiálu o definovaném průřezu (obecný n-úhelník), tak aby se materiál posouval skrze vytvořený kanál. V první fázi je materiál vkládán (přiváděn) do matrice, respektive její části, na jejímž konci je situována zkroucená část kanálu (zkrat). Zkrat, jenž je umístěn v této části, je definován zejména úhlem natočení obou průřezů vůči sobě (ω) tento by měl být > 90°. Dalším parametrem, který definuje zkrat je délka kanálu, na které je proveden. Tato je stanovena pomocí úhlu β který vystihuje strmost stoupání šroubovice zkratu. To znamená, že materiál při svém průchodu zkroucenou částí je natáčen okolo své osy o úhel ω. Díky průchodu zkroucenou částí je materiál vzhledem k tomu, že zkrat působí pouze na určené délce, intenzivně deformován, resp. postupně podrobován smykové deformaci. Materiál se tak vyznačuje vířivým tokem kovu. Tento charakter toku způsobuje nerovnoměrnost vložené deformace po průřezu. To znamená, že osové části materiálu ve srovnání s periferními částmi průřezu nejsou deformovány stejně a hlavní pronik smykové deformace je tak situován zejména do povrchových vrstev zpracovávaného materiálu. Těsně za zkratem přechází kanál v ohyb, který je zároveň spojovací částí s další částí kanálu. Počátek ohybu je od konce zkratu posunut o vzdálenost (B). Protlačovaný materiál tedy prochází v dalším časovém průběhu tímto ohybem, definovaným vnějším a vnitřním poloměrem zaoblení a vymezeným průsečíkem obou částí kanálu, dochází ke vkládání další deformace, především pak do středových oblastí zpracovávaného materiálu. Díky této návaznosti obou deformačních zón tak dochází k odstranění nehomogenity deformace vzniklé při jiných technologiích úhlového protlačování. Vlivem tření mezi stěnami kanálu a materiálem dochází tedy jak k nárůstu hodnoty celkově vložené deformace, tak i k homogenizaci deformace po průřezu materiálu. Díky působené smykové deformace za současné nízké tvářecí teploty dochází k výraznému homogennímu zjemnění zrna struktury takto zpracovávaného materiálu. Výsledkem s je tak vyšší efektivita procesu vzhledem k homogennímu zjemnění a zároveň nižšímu počtu průchodů nežli je tomu v jiných způsobech protlačování.

Při svém průchodu kanálem je materiál namáhán smykovou deformací, resp. krutém v závislosti na jeho poloze. Technologie, tak jak je navržena, umožňuje zjemnění struktury zpracovávaných ío materiálů až do oblasti ultrajemného zrna, čímž dovoluje zvýšení užitných vlastností materiálů, a zároveň zisk materiálů definovaných vysokou homogenitou vlastností po jejich průřezu.

Výhody navrhované technologie jsou tedy především ve vyšší homogenitě vkládané deformace po průřezu materiálu. Dále pak vzhledem k příspěvku vložené deformace ze dvou zdrojů, je vý15 sledná hodnota deformace po celém průchodu vyšší ve srovnání například s ECAP. Na rozdíl od

TE či ECAP je dosahováno z hlediska intenzity deformace během jediného průchodu téměř homogenního materiálu (obr. 4). Navíc je třeba uvést, že intenzita deformace v téměř celém vzorku nabývá minimálních hodnot Se ~ 2,3. To znamená, podstatně vyšších hodnot než u ECAP nebo TE za jediný průchod. To ve výsledku znamená snížení celkového počtu průchodů k získání ma2o teriálu požadovaných vlastností. Kombinací obou tvarů, lze ovlivňovat dosažené charakteristiky vzhledem ke geometrii materiálu.

Přehled obrázků na výkresech

Způsob úhlového protlačování se zkratem je blíže osvětlen na přiložených výkresech, kde na obr.

je znázorněna celá sestava pro provedení způsobu podle vynálezu; na obr. 2 je znázorněna celá sestava, na které jsou zvýrazněny vstupní a výstupní rovina kanálu; na obr. 3 je znázorněn řez matricí s definicí geometrie kanálu; a na obr. 4 je znázorněn průběh intenzity deformace po prů30 řezu vzorkem v čase.

Příklad provedení vynálezu

Hrubozmný vzorek 2 se vtláčí pomocí průtlačníku I vstupním otvorem 3 do vertikálního kanálu 5, kde se posouvá tlakem, odpovídajícím danému materiálu vzorku 2 do zkratové části 7. Ve zkratové části 7 je vzorek 2 natáčen okolo své osy o úhel natočení ω. Natočení vzorku 2 způsobuje, žeje tento vzorek 2 postupně podroben smykové deformaci. Deformace je vkládána zejména do povrchových a podpovrchových oblastí vzorku 2. Zkratová část 7 je definována úhlem natočení ω obou průřezů vůči sobě, přičemž tento úhel nepřesahuje 90°. Délka zkratové části 7, ve které je vzorek 2 podrobován smykové deformaci je stanovena úhlem β vystihujícím strmost šroubovice zkratové části 7. Na konec zkratové části 7 navazuje ohybová část 8, která spojuje vertikální kanál 5 a horizontální kanál 6. Vzorek 2 je v místě ohybové části 8 podroben dalšímu deformování - deformace je vkládána do středových oblastí vzorku 2. Ohybová část 8 je defino45 vána vnějším a vnitřním poloměrem zaoblení Rl a R2. Dále je tato ohybová část 8 vymezena průsečíkem obou částí kanálů 5, 6. Na konci ohybové části 8 vychází vzorek 2 z matrice ven výstupním otvorem 4. Výsledkem průchodu vzorku 2 matricí je zjemnění zrn vzorku 2. Toto zjemnění může dosáhnout až oblasti ultrajemné struktury (průměrná velikost zrna je menší než 1 pm). Protlačování je prováděno při normální (pokojové) teplotě. Tlak použitý na protlačování je odvo50 zen od materiálu protlačovaného vzorku 2. Zařízení je opakovatelně použitelné.

Průmyslová využitelnost

Způsob úhlového protlačování se zkrutem podle vynálezu je využitelný v oblasti tváření materiálu, zejména tam kde je potřebné zvýšení užitných vlastností materiálu a jeho velmi dobré protvá5 ření.