PL249272B1

PL249272B1 - Method of preparing the surface of a pure titanium batch for hydrostatic extrusion

Info

Publication number: PL249272B1
Application number: PL447804A
Authority: PL
Inventors: Mariusz KULCZYK; Mariusz Kulczyk; Jacek SKIBA; Jacek Skiba
Original assignee: Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2024-02-18
Filing date: 2024-02-18
Publication date: 2026-03-16
Also published as: PL447804A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób przygotowania wsadu tytanowego do wyciskania hydrostatycznego, polegający na pokryciu wsadu warstwą smaru miedziowego, charakteryzujący się tym, że w temperaturze pokojowej na powierzchnię zewnętrzną wsadu nanosi się zawiesinę, w której fazę rozpraszaną stanowią cząstki miedzi w ilości od 5% do 10% wagowych całości zawiesiny, zaś fazę rozpraszającą stanowi roztwór co najmniej jednego alkanu w ketonie, nanoszenie wspomnianej zawiesiny kończy się po uzyskaniu pokrycia wsadu o jednolitym wyglądzie, po czym sezonuje się pokryty wsad w temperaturze pokojowej przez okres nie krótszy niż szesnaście godzin.The subject of the application is a method of preparing a titanium charge for hydrostatic extrusion, consisting in covering the charge with a layer of copper grease, characterized in that at room temperature, a suspension is applied to the outer surface of the charge, in which the dispersed phase consists of copper particles in an amount of 5% to 10% by weight of the total suspension, and the dispersing phase is a solution of at least one alkane in ketone, the application of the said suspension is completed after obtaining a uniform appearance of the charge coating, after which the coated charge is seasoned at room temperature for a period of not less than sixteen hours.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób przygotowania powierzchni wsadu z czystego tytanu do wyciskania hydrostatycznego.The subject of the invention is a method of preparing the surface of a pure titanium batch for hydrostatic extrusion.

Tytan jest materiałem wykazującym jeden z najwyższych stopni biozgodności z ludzkim organizmem, stąd obserwuje się wyraźny trend wykorzystywania tego materiału w medycynie. Problem stojącym na przeszkodzie powszechnego wykorzystania tytanu w medycynie, jest jego zbyt niska wytrzymałość, która z reguły nie przekracza wartości Rm ~ 450 MPa w zależności od partii wytopu. Stąd powszechnie stosuje się stopy tytanu z dodatkami takimi jak aluminium czy wanad, podnoszącymi wytrzymałość materiału. Przykładem jest stop Ti-6V-4AI, pierwotnie opracowany na potrzeby konstrukcji lotniczych. Wytrzymałość na zrywanie tego stopu wynosi 945 MPa, a jego granica plastyczności - 817 MPa. Zastosowanie tego materiału do wytwarzania implantów medycznych ujawniono w publikacji patentowej nr US4854496, przy czym w praktyce okazało się, że z takich stopowych implantów uwalnia się do organizmu szkodliwy wanad.Titanium is a material with one of the highest levels of biocompatibility with the human body, which is why there is a clear trend toward its use in medicine. A problem hindering widespread use of titanium in medicine is its low strength, which typically does not exceed Rm ~450 MPa depending on the melt batch. Therefore, titanium alloys with additives such as aluminum or vanadium are commonly used to increase the material's strength. An example is the Ti-6V-4AI alloy, originally developed for aircraft construction. The tensile strength of this alloy is 945 MPa, and its yield strength is 817 MPa. The use of this material in the production of medical implants is disclosed in patent publication no. US4854496, although in practice, harmful vanadium is released from such alloy implants into the body.

Jednym ze sposobów na poprawę właściwości mechanicznych tytanu jest zastosowanie niekonwencjonalnych technik odkształcenia plastycznego, bez konieczności zmiany jego składu chemicznego. Dzieje się tak na skutek zmniejszenia rozmiaru ziarna w materiale, prowadzącego do uzyskania materiału „nanostrukturalnego” lub „ultradrobnoziarnistego”. Pierwsze tego typu próby publikacji patentowej nr US6399215B1. Próby te zaklasyfikowano jako rozwiązanie problemu umocnienia czystego tytanu bez posługiwania się szkodliwymi dla organizmu dodatkami stopowymi. W rozwiązaniu tym wsad z gruboziarnistego tytanu wielokrotnie przeciskano na gorąco przez równoosiowy kanał kątowy (ang. warm equal channel angular extrusion - ECAE), po czym produkt takiego wyciskania poddawano przeróbce plastycznej na zimno. W efekcie otrzymano ultradrobnoziarnisty czysty tytan charakteryzujący się średnim rozmiarem ziaren na poziomie od 250 do 300 nm, wytrzymałością na zerwanie w zakresie 860-1100 MPa i granicą plastyczności w zakresie od 795 do 1050 MPa. Metoda ta jednak posiada szereg wad, głównie związanych z geometrią wytwarzanych produktów, znacznie ograniczających możliwości jej przemysłowego wykorzystania. Doskonałą alternatywę stanowi inny proces, wykorzystujący ekstremalnie duże odkształcenia plastyczne w warunkach działania wysokiego ciśnienia jakim jest proces wyciskania hydrostatycznego.One way to improve the mechanical properties of titanium is to use unconventional plastic deformation techniques without changing its chemical composition. This occurs by reducing the material's grain size, resulting in a "nanostructured" or "ultrafine-grained" material. The first such attempts were documented in patent publication no. US6399215B1. These attempts were classified as a solution to the problem of strengthening pure titanium without the use of harmful alloying additives. In this solution, a charge of coarse-grained titanium was repeatedly hot-extruded through a warm equal channel angular extrusion (ECAE), after which the extruded product was subjected to cold plastic working. The result is ultrafine-grained pure titanium characterized by an average grain size of 250 to 300 nm, a tensile strength of 860-1100 MPa, and a yield strength of 795 to 1050 MPa. However, this method has a number of drawbacks, primarily related to the geometry of the manufactured products, significantly limiting its industrial applicability. An excellent alternative is another process that utilizes extremely large plastic deformations under high pressure, namely hydrostatic extrusion.

Od ponad stu lat znana jest (US524504) metoda obróbki plastycznej metali zwana wyciskaniem hydrostatycznym. Polega ona na umieszczeniu wsadu (materiału do wyciskania) w komorze roboczej wypełnionej medium ciśnieniowym. Komora robocza zamknięta jest z jednej strony tłokiem, a z drugiej matrycą o kształcie jaki chce się nadać wyciskanemu produktowi. Tłok, poruszając się w głąb komory roboczej, ściska medium ciśnieniowe, wywołując tym wzrost ciśnienia hydrostatycznego w komorze. Po osiągnięciu ciśnienia krytycznego, charakterystycznego dla danego materiału wsadowego, wsad zaczyna wyciskać się przez matrycę, tworząc wyciśnięty produkt. Jednym z ważnych parametrów procesu wyciskania hydrostatycznego jest tak zwana redukcja R, określająca stopień zmniejszenia przekroju poprzecznego wsadu, definiowana jako stosunek pola przekroju wsadu przed wyciskaniem do przekroju produktu po wyciskaniu.A method of metal forming known as hydrostatic extrusion has been known for over a hundred years (US524504). It involves placing a charge (the material to be extruded) in a working chamber filled with a pressure medium. The working chamber is closed on one side by a piston and on the other by a die shaped to the desired shape for the extruded product. The piston, moving deeper into the working chamber, compresses the pressure medium, thus increasing the hydrostatic pressure in the chamber. Once the critical pressure, characteristic for a given charge material, is reached, the charge begins to extrude through the die, creating the extruded product. One of the important parameters of the hydrostatic extrusion process is the reduction R, which determines the degree of reduction in the cross-section of the charge. This reduction is defined as the ratio of the cross-sectional area of the charge before extrusion to the cross-section of the product after extrusion.

Jednym z głównych problemów związanych z technologią przeróbki plastycznej metodą wyciskania hydrostatycznego czystego tytanu jest jego podatność do klejenia się do narzędzi kształtujących. Powoduje to szereg problemów technologicznych, utrudniających bądź uniemożliwiających wytwarzanie odpowiednich półproduktów do dalszego kształtowania na końcowe produkty metodami, np. obróbki numerycznej CNC. Efekt zacierania się tytanu w narzędziach kształtujących powoduje niekontrolowany wzrost ciśnienia w trakcie procesu wyciskania hydrostatycznego, jego skoki bądź nawet także rozszczelnienie układu, prowadzące do wytwarzania wadliwych półproduktów. Wady dotyczą głównie bardzo złego stanu jakości powierzchni oraz powstawania pęknięć i mikropęknięć na długości wytwarzanych półproduktów. Stąd, konieczne jest zoptymalizowanie procesu przygotowania powierzchni wsadu tytanowego przed procesami deformacji plastycznej umożliwiające wytwarzanie półproduktów w powtarzalnych warunkach, pracę przy stałym ciśnieniu wyciskania, brak wad powierzchniowych oraz dobre tolerancje wymiarowe po procesie. Wyciskanie hydrostatyczne tytanu na skalę laboratoryjną ujawniono w publikacjach W. Pachla i in. p.t. „Nanostructuring of metals by hydrostatic extrusion” [Proc. of 9th Int. Conf. on Metal Forming EMRS 2006, Eds. N. Juster, A. Rosochowski, Publ. House Akapit, 2006, str. 535-538] oraz W. Pachla i in. pt. „Nanocrystalline titanium produced by hydrostatic extrusion” [Journal of Materials Processing Technology, 2008, tom 205, str. 173-182]. Ujawniono tam drut tytanowy o śred nicy 3 mm, charakteryzujący się średnim rozmiarem ziarna na poziomie 47 nm, wytrzymałością na zerwanie na poziomie 1320 MPa i granicą plastyczności na poziomie 1245 MPa. Jednakże takie parametry otrzymano w wyniku aż dwudziestu następujących po sobie operacji wyciskania, a jakość powierzchni otrzymanego drutu eliminowała go z zastosowań przemysłowych. Jako środki smarne wskazano na zastosowanie mieszaniny dwóch smarów, dwusiarczku molibdenu M0S2 oraz smaru na bazie tworzywa sztucznego PTFE. W publikacjach K. Topolski i in. p.t. „Hydrostatic Extrusion of Titanium - Process Parameters” [Advances in Materials Science, vol. 7, no. 4(4), 2007, str. 114-120] oraz H. Garbacz i in. p.t. „The tribologicalproperties of nano-titanium obtained by hydrostatic extrusion” [Wear 263, 2007, str. 572-578], K. Topolski i in. p.t. „The influences of the initial state on microstructure and mechanical properties of hydrostatically extruded titanium” [Solid State Phenomena Vol. 140 (2008) str. 191-196], K. Topolski i in. p.t. „Surface modification of titanium subjected to hydrostatic extrusion” [Inżynieria Materiałowa Nr.3 (2010) str. 336-339] oraz H. Garbacz i in. p.t. „Fatique properties of nanocrystalline titanium ” [Rev. Adv. Mater. Sci. 25 (2010) str. 256-260] ujawniono prace eksperymentalne pozwalające na uzyskanie drutów tytanowych o wytrzymałości z zakresu 1070-1140 MPa i granicy plastyczności z zakresu 890-1070 MPa, otrzymywanych w dziesięciu do dwunastu kolejnych operacjach wyciskania hydrostatycznego. W publikacjach K. Topolski i in. p.t. „Hydrostatic Extrusion of Titanium - Process Parameters ” [Advances in Materials Science, vol. 7, no. 4(4), 2007, str. 114-120] oraz K. Topolski i in. p.t. „Suhface modification of titanium subjected to hydrostatic extrusion” [Inżynieria Materiałowa Nr 3 (2010) str. 336-339] ujawniono pokrywanie wsadów tytanowych warstwą aluminium metodą rozpylania magnetronowego, wpływające znacząco na obniżenie maksymalnych ciśnień wyciskania i zużycie matryc. Zarówno metody prowadzące do otrzymywania warstw aluminium na czystym tytanie jak i metody pokrywania wsadów warstwami związku Ti-AI, nie pozwalają na efektywną deformację czystego tytanu, w szczególności dla procesów kumulacyjnych wymagających kolejnego wyciskania tego samego wsadu w celu podniesienia sumarycznego odkształcenia rzeczywistego. Wynika to z koniecznością każdorazowego odnawiania nanoszonych warstw pomiędzy kolejnym procesami przeróbki plastycznej. W związku z tym, że magnetronowe procesy nanoszenia warstw aluminium są kosztowne oraz czasochłonne sposób ten nie pozwala na optymalizację technologii w celu jej półprzemysłowego wykorzystania. Artykuł autorstwa W. Pachla i in. pt. „Effect of severe plastic deformation realized by hydrostatic extrusion and rotary swaging on the properties of CP Ti grade 2” [Journal of Materials Processing Technology, 2015, tom 221, str. 255-268] także ujawnia problemy związane z jakością powierzchni końcowych półwyrobów. W publikacji tej poza powszechnie stosowanymi środkami smarnymi jak dwusiarczek molibdenu MoSi2, tworzywo PTFE, warstwy aluminium nanoszone wcześniej wspomnianymi metodami pojawia się także miedź jako jedna z alternatyw. Jednakże w tym przypadku miedź była stosowana jako mieszanina z innymi smarami a nie odrębny środek smarny. Zagadnienia związane z poprawą jakości powierzchni skupiają się głównie na wykorzystaniu metody kucia rotacyjnego (ang. rotary swaging). W metodzie tej możliwa jest obróbka nawet kruchych materiałów dzięki niskiemu naprężeniu indukowanemu w jednym przejściu formowania i bardzo jednorodnemu sposobowi, w jaki formowany jest przedmiot obrabiany. Przyrostowa kinematyka matrycy w znacznym stopniu eliminuje efekt tarcia między matrycą a obrabianym przedmiotem. Warto zauważyć że proces kucia rotacyjnego jest procesem postdeformacyjnym. Pomimo znacznej poprawy jakości powierzchni oraz tolerancji wymiarowych w końcowych produktach, nie ma ona wpływu na silne efekty strukturalne oraz związane z nimi zmiany właściwości wywołane brakiem stabilności ciśnienia w trakcie deformacji plastycznej w procesie wyciskania hydrostatycznego. Aspekty wyciskania hyrostatycznego tytanu ujawniono także w artykule autorstwa A. Chojnacka i inni pt. „Corrosion anisotropy of titanium deformed by the hydrostatic Extrusio” [Applied Surface Science, 2017, tom 426, str. 987-994] oraz w artykule autorstwa J. Skiba i inni pt. „The impact of severe plastic deformations obtained by hydrostatic extrusion on the machinability of ultrafine-grained Ti grade 2 intended for fasteners” [Scientific Reports, 2022, tom 12, 16240]. W publikacji patentowej nr EP2931448B1 ujawniono sposób wytwarzania czystego nanokrystalicznego tytanu w procesie wyciskania hydrostatycznego, w którym to procesie pokrywano wsad tytanowy smarem miedzianym w aerozolu. Publikacja ta jednak nie zawiera żadnych wskazówek w jaki sposób efektywnie ten smar stosować.One of the main problems associated with the hydrostatic extrusion technology of pure titanium is its susceptibility to sticking to shaping tools. This causes a number of technological problems that hinder or even prevent the production of suitable semi-finished products for further shaping into final products using methods such as CNC machining. The effect of titanium seizing in shaping tools causes uncontrolled pressure increases during the hydrostatic extrusion process, pressure spikes, or even leaks in the system, leading to the production of defective semi-finished products. These defects mainly concern very poor surface quality and the formation of cracks and microcracks along the length of the produced semi-finished products. Therefore, it is necessary to optimize the surface preparation process of the titanium charge before plastic deformation processes, enabling the production of semi-finished products under repeatable conditions, operation at constant extrusion pressure, absence of surface defects, and good dimensional tolerances after the process. Laboratory-scale hydrostatic extrusion of titanium was described in publications by W. Pachla et al. "Nanostructuring of metals by hydrostatic extrusion" [Proc. of 9th Int. Conf. on Metal Forming EMRS 2006, Eds. N. Juster, A. Rosochowski, Publ. House Akapit, 2006, pp. 535-538] and W. Pachla et al. "Nanocrystalline titanium produced by hydrostatic extrusion" [Journal of Materials Processing Technology, 2008, vol. 205, pp. 173-182]. They disclose a 3 mm diameter titanium wire characterized by an average grain size of 47 nm, a rupture strength of 1320 MPa, and a yield strength of 1245 MPa. However, these parameters were obtained as a result of as many as twenty consecutive extrusion operations, and the surface quality of the resulting wire eliminated it from industrial applications. As lubricants, the use of a mixture of two greases was indicated: molybdenum disulfide M0S2 and a grease based on PTFE plastic. In the publications by K. Topolski et al. "Hydrostatic Extrusion of Titanium - Process Parameters" [Advances in Materials Science, vol. 7, no. 4(4), 2007, pp. 114-120] and H. Garbacz et al. "The tribological properties of nano-titanium obtained by hydrostatic extrusion" [Wear 263, 2007, pp. 572-578], K. Topolski et al. "The influences of the initial state on microstructure and mechanical properties of hydrostatically extruded titanium" [Solid State Phenomena Vol. 140 (2008) pp. 191-196], K. Topolski et al. "Surface modification of titanium subjected to hydrostatic extrusion" [Inżynieria Materiałowa Nr. 3 (2010) pp. 336-339] and H. Garbacz et al. "Fatique properties of nanocrystalline titanium" [Rev. Adv. Mater. Sci. 25 (2010) pp. 256-260] disclosed experimental work allowing to obtain titanium wires with strength in the range of 1070-1140 MPa and yield strength in the range of 890-1070 MPa, obtained in ten to twelve successive hydrostatic extrusion operations. In the publications by K. Topolski et al. "Hydrostatic Extrusion of Titanium - Process Parameters" [Advances in Materials Science, vol. 7, no. 4(4), 2007, pp. 114-120] and K. Topolski et al. "Suhface modification of titanium subjected to hydrostatic extrusion" [Materials Engineering No. 3 (2010) pp. 336-339] discloses coating titanium billets with an aluminum layer using magnetron sputtering, which significantly reduces maximum extrusion pressures and die wear. Both the methods for obtaining aluminum layers on pure titanium and the methods for coating billets with Ti-Al compound layers do not allow for effective deformation of pure titanium, particularly for cumulative processes requiring subsequent extrusion of the same billet to increase the total effective strain. This is due to the need to renew the deposited layers each time between subsequent plastic working processes. Because magnetron sputtering processes for depositing aluminum layers are expensive and time-consuming, this method does not allow for optimization of the technology for semi-industrial use. The article by W. Pachla et al., titled "Effect of severe plastic deformation realized by hydrostatic extrusion and rotary swaging on the properties of CP Ti grade 2" [Journal of Materials Processing Technology, 2015, vol. 221, pp. 255-268] also reveals problems related to the surface quality of semi-finished products. In this publication, in addition to commonly used lubricants such as molybdenum disulfide (MoSi2), PTFE, and aluminum layers deposited using the previously mentioned methods, copper is also mentioned as an alternative. However, in this case, copper was used as a mixture with other lubricants rather than as a separate lubricant. Issues related to improving surface quality focus primarily on the use of rotary swaging. This method allows for the machining of even brittle materials thanks to the low stress induced in a single forming pass and the very uniform way in which the workpiece is formed. Incremental die kinematics largely eliminates the effect of friction between the die and the workpiece. It is worth noting that rotational forging is a post-deformation process. Despite significant improvements in surface quality and dimensional tolerances in the final products, it does not address the strong structural effects and associated property changes caused by pressure instability during plastic deformation in the hydrostatic extrusion process. Aspects of hydrostatic extrusion of titanium are also disclosed in the article by A. Chojnacka et al., "Corrosion anisotropy of titanium deformed by the hydrostatic extrusion" [Applied Surface Science, 2017, vol. 426, pp. 987-994] and in the article by J. Skiba et al., " "The impact of severe plastic deformations obtained by hydrostatic extrusion on the machinability of ultrafine-grained Ti grade 2 intended for fasteners" [Scientific Reports, 2022, vol. 12, 16240]. Patent publication no. EP2931448B1 discloses a method for producing pure nanocrystalline titanium by hydrostatic extrusion, in which a titanium charge was coated with a copper grease spray. However, this publication does not provide any guidance on how to effectively apply this grease.

Celem wynalazku było zoptymalizowanie procesu przygotowania powierzchni czystego tytanu przed procesami przeróbki plastycznej z wykorzystaniem metody wyciskania hydrostatycznego.The aim of the invention was to optimize the process of preparing the surface of pure titanium before plastic working processes using the hydrostatic extrusion method.

Cel ten spełnia sposób według wynalazku polegający na pokryciu wsadu warstwą smaru miedziowego. Wynalazek polega na tym, że w temperaturze pokojowej na powierzchnię zewnętrzną wsadu nanosi się zawiesinę, w której fazę rozpraszaną stanowią cząstki miedzi w ilości od 5 do 10% wagowych całości zawiesiny. Fazę rozpraszającą tej zawiesiny stanowi roztwór co najmniej jednego alkanu w ketonie.This objective is achieved by the method according to the invention, which involves coating the charge with a layer of copper grease. The invention involves applying a suspension to the external surface of the charge at room temperature, in which the dispersed phase consists of copper particles in an amount of 5 to 10% by weight of the total suspension. The dispersed phase of this suspension is a solution of at least one alkane in a ketone.

Nanoszenie wspomnianej zawiesiny kończy się po uzyskaniu pokrycia wsadu o jednolitym wyglądzie, po czym sezonuje się pokryty wsad w temperaturze pokojowej przez okres nie krótszy niż szesnaście godzin.The application of the mentioned suspension is completed after obtaining a uniform appearance of the load, after which the coated load is aged at room temperature for a period of not less than sixteen hours.

W jednym z wariantów wynalazku wsad pokrywa się zawiesiną dwukrotnie w odstępie czasowym mieszczącym się w zakresie od 5 do 10 minut.In one variant of the invention, the batch is coated with the suspension twice at a time interval ranging from 5 to 10 minutes.

W kolejnym wariancie wynalazku udział wagowy ketonu w zawiesinie wynosi od 50 do 60% wagowych.In a further variant of the invention, the weight fraction of ketone in the suspension is from 50 to 60% by weight.

W innym wariancie wynalazku jako keton stosuje się aceton.In another variant of the invention, acetone is used as the ketone.

W jeszcze innym wariancie wynalazku stosuje się fazę rozpraszającą, w której alkanami są propan i butan.In yet another variant of the invention, a dispersed phase is used in which the alkanes are propane and butane.

Nieoczekiwanie okazało się, że zastosowanie znanego bardzo taniego smaru miedziowego w aerozolu i sezonowanie wytworzonego pokrycia przez okres nie spotykany w normalnej praktyce warsztatowej daje efekty porównywalne z pokryciem wsadu warstwą aluminium, przy jednoczesnym skróceniu czasu oczekiwania na wsad gotowy do wyciskania o ponad 90% i kosztach pomijalnych w porównaniu do magnetronowego pokrywania warstwą aluminium. Wynalazek pozwala na realizację procesu deformacji plastycznej czystego tytanu metodą wyciskania hydrostatycznego przy stałej wartości ciśnienia na całej długości wyciskanego produktu. Stała wartość ciśnienia w trakcie procesu wyciskania hydrostatycznego pozwala na uzyskanie jednorodnych właściwości mikrostrukturalnych i wynikających z nich innych właściwości, w tym mechanicznych na całej długości przerabianego plastycznie pręta. Stałość charakterystyk ciśnieniowych umożliwia także zwiększenie zakresu automatyki procesu wyciskania hydrostatycznego czystego tytanu ze względu na przewidywalność parametrów tego procesu, a tym samym wejście w tryb pół-produkcyjny, pozwalający na efektywne wytwarzanie półwyrobów. Dodatkowym efektem zastosowania wynalazku jest także istotna poprawa jakości powierzchni w półproduktach tytanowych po procesach wyciskania hydrostatycznego. Nie obserwuje się bruzd na powierzchni oraz mikropęknięć wywołanych złymi warunkami tarcia pomiędzy wyciskanym wsadem a matrycą kształtującą. Wynalazek ma zastosowanie do wyciskania czystego tytanu nawet z redukcją jednostkową wynoszącą do wartości 3,5. Związane jest to z wyraźnym efektem obniżenia ciśnienia procesu wyciskania hydrostatycznego, dochodzącym nawet do 40% w stosunku do ciśnień występujących przy znanych sposobach przygotowania powierzchni wsadu tytanowego.Unexpectedly, it turned out that using a well-known, very inexpensive copper grease in an aerosol and seasoning the resulting coating for a period not encountered in normal workshop practice produces results comparable to coating the charge with an aluminum layer, while simultaneously reducing the waiting time for the charge ready for extrusion by over 90% and at negligible costs compared to magnetron aluminum coating. The invention allows for the plastic deformation of pure titanium using hydrostatic extrusion at a constant pressure along the entire length of the extruded product. The constant pressure during the hydrostatic extrusion process allows for uniform microstructural properties and the resulting other properties, including mechanical properties, along the entire length of the plastically processed rod. The constancy of pressure characteristics also enables increased automation of the hydrostatic extrusion of pure titanium due to the predictability of the process parameters, thus enabling the introduction of semi-production mode, enabling the efficient production of semi-finished products. An additional effect of the invention is a significant improvement in the surface quality of titanium semi-finished products after hydrostatic extrusion processes. No surface grooves or microcracks caused by poor friction conditions between the extruded material and the shaping die are observed. The invention is applicable to the extrusion of pure titanium with a unit reduction of up to 3.5. This is due to the significant pressure reduction effect of the hydrostatic extrusion process, reaching up to 40% compared to the pressures occurring with known methods of preparing the surface of titanium material.

Wynalazek w dwóch przykładach realizacji został opisany poniżej i przedstawiony schematycznie na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat wyciskania hydrostatycznego, a fig. 2 przedstawia przykładową zależność ciśnienia medium hydrostatycznego od czasu w trakcie takiego wyciskania. Fig. 3 przestawia zależność ciśnienia od czasu analogiczną do tej z fig. 2 dla pierwszego przykładu realizacji wynalazku, zaś fig. 4 przedstawia tę samą zależność dla drugiego przykładu realizacji.The invention in two embodiments is described below and shown schematically in the attached drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of hydrostatic extrusion, and Fig. 2 shows an exemplary dependence of the pressure of the hydrostatic medium on time during such extrusion. Fig. 3 shows a pressure-time dependence analogous to that in Fig. 2 for the first embodiment of the invention, and Fig. 4 shows the same dependence for the second embodiment.

Proces wyciskania tytanowego wsadu 1 prowadzono w znanym urządzeniu do wyciskania hydrostatycznego (prasie hydraulicznej) 8, wyposażonym w komorę 2, która z jednej strony jest zamknięta tłokiem 5. Po przeciwnej do tłoka 5 stronie komory 2 znajduje się zamknięcie 3 i matryca kształtująca 4 o kącie wierzchołkowym 2α, który w opisanych niżej przykładach wynosił 45 stopni. Medium ciśnieniowe 6 wypełniało wnętrze komory 2 i jego ciśnienie wzrastało w wyniku ruch tłoka, którego kierunek symbolizuje strzałka. Rosnące ciśnienie medium 6 oddziałuje na walcowy wsad tytanowy 1 o średnicy D1, zakończony od strony matrycy 4 stożkiem o kącie wierzchołkowym wynoszącym 45 stopni, i po osiągnięciu wartości krytycznej doprowadzało do przeciśnięcia wsadu 1 przez matrycę 4. Wyciskany z matrycy 4 gotowy produkt 7 miał średnicę D2, która to średnica wyznacza redukcję R, z jaką następuje to wyciskanie od średnicy D1. Redukcja R to stosunek pola przekroju poprzecznego wsadu 1 do pola przekroju poprzecznego gotowego produktu 7, czyli R = π Di²/k D2².The process of extruding the titanium charge 1 was carried out in a known hydrostatic extrusion device (hydraulic press) 8, equipped with a chamber 2, which is closed on one side by a piston 5. On the side of chamber 2 opposite to piston 5, there is a closure 3 and a shaping die 4 with an apex angle 2α, which in the examples described below was 45 degrees. Pressure medium 6 filled the interior of chamber 2 and its pressure increased as a result of the movement of the piston, the direction of which is symbolized by an arrow. The increasing pressure of medium 6 acts on a cylindrical titanium charge 1 with a diameter D1, terminated on the side of die 4 with a cone with an apex angle of 45 degrees, and after reaching a critical value, it forced the charge 1 through the die 4. The finished product 7 extruded from die 4 had a diameter D2, which diameter determines the reduction R with which the extrusion occurs from diameter D1. The reduction R is the ratio of the cross-sectional area of the feed 1 to the cross-sectional area of the finished product 7, i.e. R = π Di ² /k D2 ² .

Przykład 1Example 1

Kumulacyjne wyciskanie tytanu grade 2 z sumaryczną redukcją R = 2.17.Cumulative extrusion of titanium grade 2 with a total reduction of R = 2.17.

W tym przykładzie przygotowano dwa egzemplarze wsadu 1 wykonane z tytanu o czystości handlowej grade 2, o średnicy D1 wynoszącej 16 mm. Średnica ta była efektem poddania wyciskaniu hydrostatycznego wsadów średnicy 25 mm na średnicę 16 mm, czyli z redukcją R = 1,56. Wspomniane wsady 1 o średnicy D1 = 16 mm poddano ponownemu procesowi wyciskania hydrostatycznego ze wspomnianej średnicy D1 na średnicę D2 wynoszącą 11,5 mm, co dawało redukcję jednostkową R = 1,39 i redukcję sumaryczną R = 2,17. Oba wsady 1, przed drugim wyciskaniu hydrostatycznym zostały pokryty dwiema warstwami handlowego smaru miedzianego w aerozolu o nazwie handlowej „MIEDŹ SPRAY” oferowanego przez firmę Lotnik (www.lotnik.com.pl). Karta charakterystyki tego smaru wskazywała na zawartość od 50 do 60% acetonu, od 20 do 25% propanu, od 15 do 20% butanu i od 5 do 10% wagowych miedzi elektrolitycznej. W celu uzyskania pokrycia smarem o jednolitym wyglądzie, na każdy z wsadów 1 natryśnięto jedną warstwę opisanego wyżej smaru, po czym operację powtórzono po 5 minutach. Jeden z wsadów 1 poddano wyciskaniu hydrostatycznemu w urządzeniu 8 po dwóch godzinach od nałożenia drugiej warstwy smaru. Drugi z wsadów 1 poddano sezonowania przez czas ośmiokrotnie dłuższy, czyli przez 16 godzin, i dopiero po tym okresie poddano analogicznemu wyciskaniu hydrostatycznemu w tym samym urządzeniu 8. Przebieg ciśnienia w czasie dla procesu wyciskania hydrostatycznego obu wsadów 1 przedstawiono na fig. 3. Wsad 1 sezonowany przez szesnaście godzin wyciskał się liniowo ze średnim ciśnieniem wynoszącym 690 MPa, natomiast wsad 1 sezonowany tyko dwie godziny wyciskał się w sposób niestabilny, z pikami ciśnienia dochodzącymi do wartości blisko 1300 MPa oraz przy średnim ciśnieniu wynoszącym 1050 MPa tj. o około 35% wyższym w porównaniu do wartości ciśnienia zmierzonej dla wsadu 1 sezonowanego ośmiokrotnie dłużej . Powierzchnia gotowego produktu 7, którego wsad po poryciu smarem był sezonowany przez szesnaście godzin, była gładka, czyli bez żadnych widocznych defektów. Powierzchnia gotowego produktu 7, którego wsad 1, po pokryciu smarem miedzianym, był sezonowany tylko dwie godziny, była bardzo niejednorodna. W równych odstępach na długości pręta 7, odpowiadających kolejnym pikom ciśnienia obserwowano wyraźne ślady zacierania oraz głębokie rysy.In this example, two batch 1s were prepared from commercially pure grade 2 titanium, with a D1 diameter of 16 mm. This diameter was the result of hydrostatic extrusion of 25 mm diameter batches to a diameter of 16 mm, i.e., with a reduction R = 1.56. The aforementioned batch 1s with a D1 = 16 mm diameter were subjected to another hydrostatic extrusion process from the aforementioned D1 diameter to a D2 diameter of 11.5 mm, which resulted in a unit reduction R = 1.39 and a total reduction R = 2.17. Before the second hydrostatic extrusion, both batch 1s were coated with two layers of commercial copper grease in an aerosol under the trade name "MIEDŹ SPRAY" offered by Lotnik (www.lotnik.com.pl). The data sheet for this grease indicated a content of 50 to 60% acetone, 20 to 25% propane, 15 to 20% butane, and 5 to 10% electrolytic copper by weight. To achieve a uniform grease coating, each batch 1 was sprayed with one layer of the grease described above, and the process was repeated after 5 minutes. One of the batch 1s was subjected to hydrostatic extrusion in device 8 two hours after the second layer of grease was applied. The second batch 1 was seasoned for eight times longer, i.e. for 16 hours, and only after this period it was subjected to analogous hydrostatic extrusion in the same device 8. The pressure-time course for the hydrostatic extrusion process of both batches 1 is shown in Fig. 3. Batch 1 seasoned for sixteen hours extruded linearly with an average pressure of 690 MPa, while batch 1 seasoned for only two hours extruded unstable, with pressure peaks reaching values of nearly 1300 MPa and at an average pressure of 1050 MPa, i.e. about 35% higher in comparison to the pressure value measured for batch 1 seasoned eight times longer. The surface of the finished product 7, the batch of which was seasoned for sixteen hours after being coated with grease, was smooth, i.e. without any visible defects. The surface of finished product 7, of which batch 1, after being coated with copper grease, had been seasoned for only two hours, was very heterogeneous. Clear scuff marks and deep scratches were observed at regular intervals along the length of rod 7, corresponding to successive pressure peaks.

Przykład 2 ‘Example 2 ‘

Kumulacyjne wyciskanie tytanu grade 2 z sumaryczną redukcją R = 4.74.Cumulative extrusion of titanium grade 2 with a total reduction of R = 4.74.

W tym przykładzie przygotowano dwa egzemplarze wsadu 1 wykonane z tytanu o czystości handlowej grade 2, o średnicy D1 wynoszącej 9 mm. Średnica ta była efektem poddania trzem następującym po sobie wyciskaniom hydrostatycznym wsadów tytanowych o średnicy 25 mm na średnicę 9 mm, czyli z sumaryczną redukcją R = 3,45. Wspomniane wsady 1 o średnicy D1 = 9 mm poddano ponownemu procesowi wyciskania hydrostatycznego ze wspomnianej średnicy D1 na średnicę D2 wynoszącą 7 mm, co dawało redukcję jednostkową R = 1,29 i redukcję sumaryczną z wszystkich czterech wyciskań wynoszącą R = 4,74. Jeden z wsadów 1 pokryto smarem miedzowym tak samo jak w pierwszym przykładzie i sezonowano przez osiemnaście godzin. Drugi z wsadów 1 posmarowano kontrolnie smarem na bazie dwusiarczku molibdenu (MoSi2) i przez taki sam okres sezonowano. Przebieg ciśnienia dla procesu wyciskania hydrostatycznego obu wsadów 1 przedstawiono na fig. 4. Wsad 1 smarowany miedzią wyciskał się liniowo ze średnim ciśnieniem wynoszącym 610 MPa. Kontrolny wsad 1 pokryty smarem na bazie MoSi2 wyciskał się w sposób niestabilny, z pikami ciśnienia dochodzącymi do wartości blisko 1400 MPa oraz przy średnim ciśnieniu wynoszącym 1100 MPa tj. o około 40% wyższym w stosunku do ciśnienia zmierzonego dla wyciskania wsadu 1 pokrytego w tym przykładzie miedzią. Powierzchnia gotowego produktu 7, którego wsad po poryciu smarem był sezonowany przez osiemnaście godzin godzin, była gładka, czyli bez żadnych widocznych defektów. Powierzchnia gotowego produktu 7, którego wsad 1 był nasmarowany smarem z dwusiarczkiem molibdenu, miała szereg wad. W równych odstępach na długości pręta 7, odpowiadających kolejnym pikom ciśnienia obserwowano wyraźne ślady zacierania oraz głębokie rysy. Ponadto początek tego drugiego pręta 7 charakteryzowały widoczne mikropęknięcia.In this example, two batches of charge 1 were prepared, made of commercially pure grade 2 titanium, with a D1 diameter of 9 mm. This diameter was the result of subjecting 25 mm titanium charges to three consecutive hydrostatic extrusions to a diameter of 9 mm, i.e., with a total reduction of R = 3.45. The aforementioned batches of D1 = 9 mm were subjected to another hydrostatic extrusion process from the aforementioned D1 diameter to a D2 diameter of 7 mm, resulting in a unit reduction of R = 1.29 and a total reduction from all four extrusions of R = 4.74. One of the batches of charge 1 was coated with copper grease as in the first example and seasoned for eighteen hours. The second batch of charge 1 was lubricated with a control grease based on molybdenum disulfide (MoSi2) and seasoned for the same period. The pressure curve for the hydrostatic extrusion process of both billets 1 is shown in Fig. 4. Billet 1 lubricated with copper extruded linearly at an average pressure of 610 MPa. The control billet 1 coated with MoSi2-based lubricant extruded unstable, with pressure peaks reaching nearly 1400 MPa and an average pressure of 1100 MPa, approximately 40% higher than the pressure measured for billet 1 coated with copper in this example. The surface of the finished product 7, whose billet was seasoned for eighteen hours after being coated with lubricant, was smooth, i.e., without any visible defects. The surface of the finished product 7, whose billet 1 was lubricated with molybdenum disulfide grease, had a number of defects. Clear scuff marks and deep scratches were observed at regular intervals along the length of rod 7, corresponding to subsequent pressure peaks. Furthermore, the beginning of this second rod 7 was characterized by visible microcracks.

Claims

1. A method of preparing a titanium charge for hydrostatic extrusion, consisting in covering the charge with a layer of copper grease, characterized in that at room temperature, a suspension is applied to the outer surface of the charge (1) in which the dispersed phase consists of copper particles in an amount of 5 to 10% by weight of the total suspension, and the dispersing phase is a solution of at least one alkane in ketone, the application of said suspension is completed after the charge has been coated with a uniform appearance, and then the coated charge (1) is seasoned at room temperature for a period of not less than sixteen hours.

2. A method according to claim 1, characterized in that the charge (1) is covered with the suspension twice at a time interval ranging from 5 to 10 minutes.

3. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the weight fraction of ketone in the suspension is from 50 to 60% by weight.

4. The method according to claim 3, characterized in that the ketone used is acetone.

5. The method according to claim 4, characterized in that the dispersed phase in which the alkanes are propane and butane.