RO123274B1 - Metodă şi echipament pentru nanostructurarea materialelor prin deformare plastică severă - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o metodă şi la un echipament destinate nanostructurării volumice a semifabricatelor sub formă de bare sau sârme cu un diametru mic şi lungimi oricât de mari, prin deformare plastică severă. Metoda conform invenţiei constă în realizarea unei nanostructurări uniforme, cu grad mare de rafinare a grăunţilor cristalini ai unui material, deformarea plastică având loc în una sau mai multe secţiuni ale unui semifabricat, prin forfecare perpendiculară pe axa semifabricatului, după o direcţie, cu o mărime şi cu o viteză de deformare care se modifică permanent, de-a lungul unei traiectorii programate, asociată cu comprimarea axială severă a semifabricatului şi cu modificarea permanentă a secţiunii de forfecare, ca urmare a deplasării axiale repetate a semifabricatului cu un avans, până la nanostructurarea acestuia pe toată lungimea. Echipamentul conform invenţiei cuprinde un semifabricat (1) ce se află în contact cu nişte semibucşe (2', 2", 18' şi 18") şi cu nişte bucşe (9 şi 14) solidare cu o sanie (10) ce execută o deplasare (c) perpendiculară pe axul semifabricatului şi, simultan, o altă sanie (11), solidară cu altă bucşă (12), ce execută o deplasare (d) perpendiculară pe deplasarea (c) şi pe axul semifabricatului (1), ambele deplasări fiind realizate pentru forfecarea materialului în una sau mai multe secţiuni ale acestuia, şi fiind programate astfel încât să rezulte traiectoria de deformare (T), deplasarea axială, repetată cu un avans (s), a semifabricatului (1) fiind realizată cu ajutorul a doi cilindri hidraulici (5 şi 15) care sunt solidarizaţi cu semifabricatul (1) prin două perechi de semibucşe (2',

Description

Invenția se referă la o metodă și un echipament destinate nanostructurării volumice a semifabricatelor sub formă de bare sau sârme de diametru mic și lungimi oricât de mari, prin deformare plastică severă, în vederea îmbunătățirii caracteristicilor mecanice și tehnologice ale materialului acestora.

Sunt cunoscute procedee de nanostructurare prin deformare plastică severă: ECAP - Extrudare sub presiune în canal unghiular (Segal V. M., Reznikov V. I., Drobyshevskiy A. E., Kopylov V. I., 1981, Russ. Metall, 1:99), HPT- Torsionare la presiune înaltă (Smirnova N. A., Levit V.I., Pilyugin V. I., Kuznetsov R. I., Davydova L. S., Sazonova V. A,1986, Fiz. Metal. Metalloved, 61:170), CEC - Extrudare și compresiune ciclică (Richert M., Features of Cyclic Extrusion Compression-Method, Structure & Properties, Rev. Solid State Phenom., v. 114, 19:28, 2006). Procedeul HPT constă în comprimarea unei șaibe, între două poansoane, din care unul se rotește față de celălalt.

Procedeul ECAP constă în forfecarea unei bare de material în lungul unei prime axe într-un canal unghiular, urmată de rotirea materialului cu 90 sau 180° și forfecarea acestuia din nou în același canal unghiular. Procedeul CEC constă în trecerea repetată a materialului printr-o matriță de extrudare, ceea ce determină deformarea plastică, repetată, a materialului.

Metodele menționate de nanostructurare prin deformare plastică prezintă unul sau mai multe dintre următoarele dezavantaje: a) nu permit nanostructurarea unor semifabricate de lungime oricât de mare (ECAP); b) procesul de nanostructurare este neuniform în secțiunea materialului; c) din cauză că direcția de deformare, fie nu se schimbă, fie are loc după una sau câteva direcții, gradul maxim de deformare are valori mici și, din această cauză, gradul de nanostructurare este redus, de exemplu în cazul HPT și CEC.

în brevetul US 2004/0060620 A1 se prezintă de asemenea o metodă de nanostructurare a unui material metalic prin formarea unei structuri de celule de dislocații, realizată prin laminare la rece cu grad mare de reducere: circa 90%, urmată de recoacere în atmosferă pură de hidrogen, iar în brevetul US 5772905/1998 se prezintă o metodă și un dispozitiv de producere a unor modele ultrafine, nanometrice, de deformare într-un strat de acoperire a unui substrat prin presarea acestui strat cu o piesă profilată adecvat.

Și aceste metode prezintă dezavantajul realizării unei neuniformități a gradului de nanostructurare prin deformare plastică la rece.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția propusă constă în realizarea unei combinații de deformări plastice de nanostructurare a materialului astfel încât să realizeze o uniformizare și o creștere a gradului de nanostructurare a unui semifabricat lung, utilizând deformarea plastică la rece, fără recoacere ulterioară.

Metoda și echipamentul de nanostructurare conforme invenției rezolvă această problemă tehnică prin aceea că, în scopul uniformizării și creșterii gradului de nanostructurare a semifabricatelor de lungime oricât de mare, deformarea plastică are loc prin forfecare perpendiculară pe axa semifabricatului, după minim o direcție determinată, cu o mărime și cu o viteză ce se modifică permanent în cadrul unui ciclu de nanostructurare programat, asociată cu comprimarea axială severă a semifabricatului și cu modificarea permanentă a secțiunii de forfecare.

Echipamentul de aplicare a metodei realizează forfecarea în una sau mai multe secțiuni ale semifabricatului, în conformitate cu un ciclu de lucru programat, prin deplasarea a două sănii perpendiculare pe axul semifabricatului, solidare cu niște bucșe, iar deplasarea axială repetată cu avans a semifabricatului este realizată cu ajutorul a doi cilindri hidraulici care sunt solidarizați cu semifabricatul prin două perechi de semibucșe și care sub acțiunea uleiului aflat în niște camere, dezvoltă forțe de comprimare a semifabricatului.

RO 123274 Β1

Invenția prezintă următoarele avantaje: 1

- prin comprimarea axială a semifabricatului și schimbarea permanentă a direcției de forfecare, crește gradul maxim de deformare pe care materialul îl permite, ceea ce conduce 3 la un nivel înalt de nanostructurare, fără apariția unor fisuri locale în masa materialului;

- ciclul de nanostructurare poate fi programat în ceea ce privește direcția, viteza, 5 gradul de forfecare;

- ciclul de lucru poate fi programat, astfel încât distanța dintre două planuri de 7 forfecare succesive să aibă valoarea necesară;

- pot fi nanostructurate semifabricate sub formă de bare și sârme de orice lungime; 9

- procesul de nanostructurare este automatizat;

- echipamentul de nanostructurare este flexibil, permițând obținerea unui nivel de 11 productivitate reglat după cerințe;

- creează posibilitatea de a exploata întreaga capacitate de deformare plastică a 13 materialului, prin optimizarea parametrilor ciclului de deformare, în conformitate cu comportarea materialului nanostructurat.15

Invenția este prezentată pe larg în continuare printr-un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1, 2, 3 și 4, care reprezintă:17

- fig. 1, a, b, shema principiului metodei de nanostructurare prin forfecare multi- direcțională controlată, conform invenției;19

- fig. 2, schema echipamentului și o secțiune a dispozitivului de nanostructurare cu planul N-N, reprezentat în fig. 3;21

- fig. 3, secțiunea M-M cu vedere axială a dispozitivului de nanostructurare reprezentat în fig. 2.23

- fig. 4, schema de desfășurare a procesului de nanostructurare în lungul axei semifabricatului.25

Metoda de nanostructurare, conform invenției, se bazează pe nanostructurarea prin forfecare multidirecțională controlată și constă în comprimarea prin forțe și F₂ a semifabri- 27 catului 1, pentru aducerea acestuia într-o stare de solicitare extremă, urmată de deformarea plastică prin forfecare a semifabricatului, în acord cu schema din fig. 1 a și fig. 4, unde partea 29 din semifabricatul 1, cuprinsă în elementul 9, descrie, în raport cu cealaltă parte a semifabricatului cuprinsă în elementul 12 și într-un plan perpendicular pe axa semifabricatului, o 31 traiectorie (J), a cărei formă și viteză de parcurgere asigură fragmentarea ultrafină a grăunților cristalini. Forma traiectoriei poate fi programată, de exemplu, în cazul din fig. 1, 33 traiectoria (paternul de deformare) este O-t₁-t₂-t₃-t₄-t₅-O. în plus, prin deplasarea (s) a semifabricatului în direcția axială, zona de deformare este deplasată de-a lungul axei 35 semifabricatului, iar paternul de deformare se schimbă sau nu periodic. în acest fel, în două secțiuni transversale vecine, paternul de deformare realizat poate fi același sau diferit. 37 Distanța dintre două secțiuni vecine reprezintă pasul (p) de nanostructurare și poate fi reglată corespunzător. în conformitate cu proprietățile de nanostructurare ale materialului, se 39 programează valorile optime ale parametrilor procesului, adică forțele și F₂, avansul (s), traiectoria (T) și viteza de parcurgere a traiectoriei, astfel încât să fie exploatată întreaga 41 capacitate de nanostructurare prin deformare plastică a acestuia. Traiectoria (T) pleacă din și revine în originea axelor X și Y. Parcurgerea completă a traiectoriei (T) reprezintă un ciclu 43 de nanostructurare.

Semifabricatul 1 supus nanostructurării se află în contact cu o pereche de semibucșe 45

2', 2 și o pereche de semibucșe 18' și 18, precum și cu niște bucșe 9, 12 și 14.

RO 123274 Β1

Perechile de semibucșe 18' -18 solidarizează semifabricatul cu un piston 15, ca urmare a faptului că, sub acțiunea uleiului aflat la presiunea p_a într- o cameră a, niște plunjere 22' și 22 se apropie unul de altul, comprimând în același timp un arc 30. Când presiunea p_a scade, arcul 30 se destinde și duce plunjerele 22' și 22 în contact cu niște dopuri 23' și 23. Similar, sub acțiunea presiunii p_b a uleiului din o cameră b, semibucșele 2' și 2 solidarizează semifabricatul 1 cu un piston 5.

Axial, perechea de semibucșe 2' și 2 este solidarizată axial cu pistonul 5 prin intermediul unei piulițe 3. Similar, perechile de semibucșe 18' și 18 sunt solidarizate de pistonul 15 prin intermediul unei piulițe 17.

La începutul ciclului de lucru, pistonul 5 se află în contact cu o placă 10' și este supus acțiunii uleiului din camera b, aflat la presiunea p_b. în același timp, semifabricatul 1, sub acțiunea aceluiași ulei aflat la presiunea p_b, este solidarizat cu pistonul 5. Tot în acest moment, pistonul 15, sub acțiunea unor arcuri 7, care împing niște tije 8, se află în contact cu un cilindru 16.

Ciclul de lucru debutează cu creșterea presiunii în camera a până la valoarea p_a, ceea ce face ca plunjerele 22' și 22 să solidarizeze semifabricatul 1 cu pistonul 15 și să apară o forță Ρ_ή de comprimare axială a semifabricatului, echilibrată de forța F₂ ce este generată de uleiul din camera b. Forța cu care arcurile 7 apasă axial pistonul 15 pe cilindrul 16 trebuie astfel stabilită încât, la creșterea presiunii p_a, forța de frecare dintre material și semibucșele 18' și 18 să depășească forța F₁ cu care pistonul 15 este împins axial.

Menținând semifabricatul în această poziție, o sanie 10, în care se află bucșele 9 și 14. execută o translație (c), iar o sanie 11 în care se află bucșa 12 execută o translație (d). Niște ghidaje 21 ale săniilor 10 și 11 sunt fixate pe batiul echipamentului de nanostructurare. Să notăm cu A subansamblul format din pistonul 15, împreună cu plunjerele 22' și 22 și arcul 30, semibucșele 18' și 18, piulița 17 și tijele 8, și cu B subansamblul format din pistonul 5, semibucșele 2' și 2, piulița 3 și plunjerele care sunt similare cu plunjerele 22' și 22 și împing radial semibucșele 2' și 2 pentru a solidariza semifabricatul cu pistonul 5. Cele două ansambluri A și B se resping unul față de altul, datorită arcurilor 7. Mișcarea de forfecare (c) este executată de sania 10, compusă din niște plăci 10', 10 și 10', împreună cu cilindrii 6 și 16 solidarizați cu această sanie prin intermediul șuruburilor 13, cu ansamblurile A și B, aflate în acești cilindri și cu arcurile 7. Translațiile (c) și (d) au loc după legi de mișcare controlate numeric și stabilite printr-un program. Ca urmare, în zonele (e) și (f) ale semifabricatului, apare o forfecare, a cărei amplitudine, direcție și viteză sunt date de legile de mișcare de-a lungul axelorX și Yîn conformitate cu traiectoria (T) din fig. 1, impusă.

în momentul când săniile 10 și 11 se află în originea axelor XY, în camera a este injectată o cantitate de ulei g, care face ca ansamblul A, solidarizat, prin intermediul semifabricatului, cu ansamblul B, să se deplaseze cu avansul (s). în fig. 2, se prezintă cazul când urmează a avea loc 4 injecții de ulei, fiecare injecție având cantitatea g și determinând deplasarea împreună a ansamblurilor A și B și a semifabricatului cu avansul (s). Avansul (s) se reglează în funcție de grosimea zonei în care semifabricatul se nanostructurează, ca urmare a unui ciclu de nanostructurare și de numărul zonelor în care, la un moment dat, semifabricatul este nanostructurat. Cazul prezentat în fig. 2 este acela în care numărul (n) al zonelor de forfecare este 2, respectiv zonele (e) și (f) ale semifabricatului.

Parcurgerea completă a cursei (h) și revenirea în poziția inițială reprezintă ciclul de lucru al echipamentului. Cursa (h) este parcursă, împreună, de semifabricatul 1 și ansamblurile A și B, ca urmare a unui număr (k) de deplasări succesive cu avansul (s). La capătul cursei, pistonul 15 ajunge în contact cu placa 10' a săniei 10, iar pistonul 5 se află

RO 123274 Β1 depărtat cu aceeași cursă (h) în raport cu placa 10 a săniei 10, arcul 4 comprimându-se 1 corespunzător. în această cursă, subansamblurile A și B ocupă succesiv pozițiile I, II, III, IV și V. în fiecare poziție, subansamblurile A și B stau nemișcate și are loc un ciclu de 3 nanostructurare în conformitate cu traiectoria (T).

Pentru readucerea subansamblurilor A și B în poziția ințială, se reduce presiunea p_b 5 din camera b, ceea ce face ca semifabricatul să nu mai fie solidarizat cu pistonul 5, iar arcul 4 să poată readuce pistonul 5 în contact cu placa 10' a săniei 10. în această poziție a 7 pistonului 5, uleiul din camera b este din nou comprimat la presiunea p_b, ceea ce face ca semifabricatul să fie din nou solidarizat cu pistonul 5. în continuare, se reduce presiunea din 9 camera a, ceea ce face ca semifabricatul să nu mai fie solidarizat cu pistonul 15, iar acesta din urmă, sub acțiunea tijelor 8 care sunt împinse de arcurile 7, să revină în poziție inițială, 11 semifabricatul rămânând în continuare solidarizat cu pistonul 5. După revenirea pistonului 15 în poziție ințială, uleiul din camera a este din nou supus presiunii p_a, ceea ce determină 13 mai întâi solidarizarea semifabricatului 1 cu pistonul 15, iar apoi comprimarea axială a semifabricatului cu forța F₁ în acest fel s-a ajuns în poziția de început a următorului ciclu de lucru. 15

După ce semifabricatul a fost nanostructurat până în apropiere de capătul acestuia, se ajunge în situația în care semifabricatul nu mai poate fi comprimat axial cu forța F^ din 17 cauză că semibucșele 18', 18 nu asigură o forță de frecare mai mare decât forța F₁ generată de presiunea p_a aplicată pistonului 15. în continuare, semifabricatul va fi forfecat 19 în secțiunile (e) și (f), dar fără a fi comprimat axial de sistemul de forțe și F₂. Pistonul 15 nu mai deplasează pistonul 5 cu avansul (s) prin intermediul forței F^ ci prin intermediul 21 tijelor 8 care comprimă până la refuz arcurile 7, după care împing pistonul 5. După ce capătul semifabricatului a trecut prin zonele de forfecare, acesta poate fi extras manual. 23

La schimbarea secțiunii semifabricatului este necesară schimbarea semibucșelor 2', 2 și 18', 18, a bucșelor de forfecare 9, 12 și 14. 25 în fiecare ciclu de nanostructurare, semifabricatul este nanostructurat într-un număr (n) de secțiuni. După fiecare ciclu de nanostructurare, subansamblurile A și B, împreună cu 27 semifabricatul, execută o deplasare cu avansul (s), ceea ce face ca la următorul ciclu de nanostructurare să fie supuse nanostructurării alte secțiuni. 29 în scopul programării valorilor optime ale parametrilor procesului de nanostructurare, adică a forțelor F₁ și F₂, a avansului (ș), a traiectoriei (T) și a vitezei de parcurgere a 31 traiectoriei, mai are prevăzută o unitate de comandă numerică, ce controlează, prin niște linii de comandă i, j, k, I, un motor pas cu pas 25 care realizează deplasarea (c) a săniei 10, un 33 motor pas cu pas 27 care realizează deplasarea (d) a săniei 11, o pompă de injecție 20 care injectează cantități g de ulei în camera a și un distribuitor 19 care distribuie uleiul în camerele 35 a și b.

Claims (5)

1. Revendicări

   1. Metodă de nanostructurare a materialelor prin deformare plastică severă, prin formarea unei structuri de celule de dislocații realizată prin deformare la rece cu grad mare de deformare, cu o piesă metalică adecvată, caracterizată prin aceea că, în scopul realizării unei nanostructurări uniforme, cu grad mare de rafinare a grăunților cristalini ai materialului, deformarea plastică are loc în una sau mai multe secțiuni ale semifabricatului, prin forfecare perpendiculară pe axa semifabricatului, după o direcție dată, cu o mărime și cu o viteză de deformare ce se modifică permanent de-a lungul unei traiectorii de deformare (T) programate, asociată cu comprimarea axială severă a semifabricatului și cu modificarea permanentă a secțiunii de forfecare realizată prin deplasarea axială repetată a semifabricatului cu avans (s) prestabilit, până la nanostructurarea acestuia pe toată lungimea.
2. 2. Echipament de nanostructurare pentru aplicarea metodei conform revendicării 1, prevăzut cu piese de presare a materialului metalic de nanostructurat, caracterizat prin aceea că, pentru parcurgerea traiectoriei de deformare (T) a materialului, cu o viteză de deformare ce se modifică potrivit unei legi programate, cuprinde o sanie (10) solidară cu niște bucșe (9 și 14), ce execută o deplasare (c) perpendiculară pe axul semifabricatului și simultan, o altă sanie (11), solidară cu altă bucșă (12), ce execută o deplasare (d) perpendiculară pe deplasarea (c) și pe axul semifabricatului (1), ambele deplasări fiind realizate pentru forfecarea materialului în una sau mai multe secțiuni ale acestuia și fiind programate astfel încât să rezulte traiectoria de deformare (T), deplasarea axială repetată cu avans (s) a semifabricatului (1) fiind realizată cu ajutorul a doi cilindri hidraulici (5 și 15) care sunt solidarizați cu semifabricatul (1) prin două perechi de semibucșe (2', 2) și respectiv (18', 18) și care sub acțiunea uleiului aflat în niște camere (a și b) la presiunea p_a, respectiv, p_b, dezvoltă forțe de comprimare a semifabricatului (1), F₁ și F₂, controlate numeric.
3. 3. Echipament de nanostructurare, conform revendicărilor 2 și 3, caracterizat prin aceea că, pentru forfecarea multidirecțională a semifabricatului conform cu traiectoria (T), simultan în mai multe secțiuni ale acestuia, săniile (10 și 11) sunt alcătuite din mai multe plăci, în care sunt plasate mai multe bucșe (9,12 și 14), numărul bucșelor stabilind numărul secțiunilor în care are loc forfecarea.
4. 4. Echipament de nanostructurare, conform revendicărilor 2 - 3, caracterizat prin aceea că, în scopul solidarizării semifabricatului (1) cu pistoanele (15 și 5), se utilizează mai multe perechi de plunjere (22', 22), dispuse de o parte și de alta a semifabricatului și supuse presiunii uleiului din camerele (a și b), care, deplasându-se axial, comprimă semibucșele (2' și 2), respectiv (18' și 18), iar pentru a realiza forțele de frecare dintre semifabricatul (1) și semibucșele (2' și 2, respectiv (18' și 18), la nivelul necesar, se modifică în mod adecvat numărul perechilor de plunjere (22', 22).
5. 5. Echipament de nanostructurare, conform revendicărilor 2- 4, caracterizat prin aceea că, în scopul programării valorilor optime ale parametrilor procesului de nanostructurare, adică a forțelor F₁ și F₂, a avansului (ș), a traiectoriei (T) și a vitezei de parcurgere a traiectoriei, mai are prevăzută o unitate de comandă numerică, ce controlează, prin niște linii de comandă (i, j, k, I), un motor pas cu pas (25) care realizează deplasarea (c) a săniei (10), un motor pas cu pas (27) care realizează deplasarea (d) a săniei (11), o pompă de injecție (20) care injectează cantități (g) de ulei în camera (a) și un distribuitor (19) care distribuie uleiul în camerele (a și b).