RU2436847C1 - Procedure of deformation for production of blanks in sub-crystal and nano-structured state and device for its implementation - Google Patents
Procedure of deformation for production of blanks in sub-crystal and nano-structured state and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2436847C1 RU2436847C1 RU2010123586/02A RU2010123586A RU2436847C1 RU 2436847 C1 RU2436847 C1 RU 2436847C1 RU 2010123586/02 A RU2010123586/02 A RU 2010123586/02A RU 2010123586 A RU2010123586 A RU 2010123586A RU 2436847 C1 RU2436847 C1 RU 2436847C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cavity
- deformation
- workpiece
- cross
- sectional area
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Forging (AREA)
- Metal Rolling (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам деформационно-термической обработки материалов и может применяться для получения заготовок материалов в наноструктурированном состоянии с высоким уровнем физико-механических свойств материала, который может быть использован в авиастроении, машиностроении, двигателестроении, медицине и т.д.The invention relates to methods of deformation-heat treatment of materials and can be used to obtain blanks of materials in the nanostructured state with a high level of physico-mechanical properties of the material, which can be used in aircraft manufacturing, mechanical engineering, engine manufacturing, medicine, etc.
Предложенные способ и устройство позволяют получать субмикрокристаллическое и наноструктурированное состояние в титане технической чистоты с помощью интенсивной пластической деформации (ИПД) и прокатке на прокатном стане.The proposed method and device allows to obtain submicrocrystalline and nanostructured state in titanium of technical purity using intensive plastic deformation (IPD) and rolling on a rolling mill.
Известно большое число способов обработки металлов и сплавов для повышения эксплуатационных характеристик. Многие из них основаны на обработке различными видами пластической деформации в сочетании с термическим воздействием. Одним из таких методов обработки является деформирование заготовок для получения ультрамелкозернистой структуры (УМЗ), обеспечивающей повышение физико-механических свойств в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах (В.М.Сегал, В.И.Копылов, В.И.Резников. Процессы пластического структурообразования металлов. Минск: Наука и техника, 1994, с.26). Этот способ относится к методам интенсивной пластической деформации и позволяет добиться существенного повышения прочности металлических материалов за счет накопления высоких степеней деформаций сдвига.There are a large number of methods of processing metals and alloys to improve performance. Many of them are based on the processing of various types of plastic deformation in combination with thermal exposure. One of such processing methods is the deformation of preforms to obtain an ultrafine-grained structure (UFG), which provides an increase in physical and mechanical properties in intersecting vertical and horizontal channels (V. M. Segal, V. I. Kopylov, V. I. Reznikov. Plastic structure formation processes Metals. Minsk: Science and Technology, 1994, p.26). This method relates to methods of intensive plastic deformation and allows to achieve a significant increase in the strength of metallic materials due to the accumulation of high degrees of shear deformation.
Известны способ и устройство (патент US №5400633, B21C 23/00, 23/21, опубл. 28.03.1995) для деформационной обработки материалов, включающий ИПД путем равноканального углового (РКУ) прессования заготовки без изменения ее поперечного сечения. При продавливании заготовки через два пересекающихся канала с одинаковым поперечным сечением материал в месте пересечения каналов претерпевает деформацию сдвига. Указанную последовательность операций можно осуществлять многократно.A known method and device (US patent No. 5400633, B21C 23/00, 23/21, publ. 03/28/1995) for deformation processing of materials, including SPD by equal channel angular (ECG) pressing the workpiece without changing its cross section. When punching a workpiece through two intersecting channels with the same cross section, the material at the intersection of the channels undergoes shear deformation. The specified sequence of operations can be carried out repeatedly.
Известен способ изготовления прямоугольных поковок путем свободного осаживания слитков с последующими обжатиями для получения плоских граней (И.П.Тарновский, В.Н.Трубин, М.Г.Златкин. Свободная ковка в прессах. М.: Машиностроение, 1967. с.222-242.).A known method of manufacturing rectangular forgings by free upsetting of ingots with subsequent compression to obtain flat faces (I.P. Tarnovsky, V.N. Trubin, M.G. Zlatkin. Free forging in the press. M .: Engineering, 1967. S. 222 -242.).
Известен способ механической обработки титановых заготовок многократной прокаткой или экструдированием (Цвиккер У. Титан и его сплавы. Перевод с немецкого. - М.: Металлургия 1979. с.512), существенно улучшающий механические свойства за счет создания в материале субструктуры.A known method of machining titanium billets by repeated rolling or extrusion (Zwicker U. Titanium and its alloys. Translation from German. - M .: Metallurgy 1979. p. 512), significantly improving the mechanical properties by creating a substructure in the material.
Известен способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок (патент РФ №2175685, C2F 1/18, B21J 5/00, 10.11.2001) включающий пластическую деформацию в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при определенной температуре, после чего осуществляют термомеханическую обработку. Данный способ позволяет получать объемные титановые заготовки с УМЗ-структурой.A known method for producing ultrafine titanium billets (RF patent No. 2175685,
Известен способ деформирования заготовок в пересекающихся каналах (патент РФ №2139164, B21J 5/00, C22F 1/00, опубл. 10.10.1999). В данном способе интенсивное деформирование заготовки производится с подпором в ступенчатом горизонтальном канале, что позволяет повысить прочностные характеристики и качество поверхности заготовок за счет дополнительной смазки.A known method of deforming workpieces in intersecting channels (RF patent No. 2139164, B21J 5/00,
Известен способ получения материала с ультрамелкозернистой или субмикрокристаллической структурой деформированием с обеспечением интенсивной пластической деформации (варианты) (патент РФ №2334582, B21J 5/00, C22F 1/00, опубл. 27.09.2008), в котором производят последовательное по этапам сжатие заготовки в сквозном прямоугольном канале матрицы одновременно с двух сторон. В результате обеспечивается интенсивная пластическая деформация материала заготовки.A known method of producing a material with an ultrafine-grained or submicrocrystalline structure by deformation with intensive plastic deformation (options) (RF patent No. 2334582, B21J 5/00,
К общему недостатку способов и устройств, касающихся равноканального углового прессования, связанного с механической схемой деформирования, относят трудности переустановки заготовки в вертикальный канал для последующих циклов из-за одинаковых по площади размеров каналов и заготовки (сложно без дополнительной механической обработки переустановить заготовку и качественно нанести смазку). Известные способы обработки материалов деформацией, описанные выше, дорогостоящие и могут содержать большой процент отходов. К общему недостатку способов и устройств равноканального углового прессования относится и существенная неравномерность распределения плотности материала в концевых частях заготовки, что не обеспечивает структурного однородного состояния вещества во всем объеме. Кроме этого, требуется применение мощного прессового оборудования.A common drawback of methods and devices related to equal-channel angular pressing associated with a mechanical deformation scheme is the difficulty of reinstalling the workpiece into a vertical channel for subsequent cycles due to the same size of the channels and the workpiece (it is difficult to reinstall the workpiece and apply lubricant without additional mechanical processing ) Known methods of processing materials by deformation described above are expensive and may contain a large percentage of waste. A common drawback of the methods and devices for equal-channel angular pressing is the significant non-uniformity of the distribution of material density in the end parts of the workpiece, which does not provide a structural homogeneous state of the substance in the entire volume. In addition, the use of powerful press equipment is required.
Наиболее близким к предлагаемому способу является изобретение по патенту РФ №2383632, C21D 7/10, C22F 1/00, B21J 5/00, B21J 13/02, B82B 3/00, опубл. 10.03.2010 г., в котором приведен способ деформационной обработки материалов, включающий последовательное по циклам деформирование исходной заготовки сжатием ее по высоте в полости устройства для деформационной обработки с обеспечением пластического течения материала заготовки в двух противоположных направлениях, не совпадающих с направлением деформационного усилия, и получением заготовки с боковыми гранями, при этом каждый цикл деформирования включает размещение заготовки в полости устройства для деформационной обработки, ее деформирование, извлечение заготовки из полости указанного устройства и переустановку заготовки для осуществления следующего цикла. При этом деформирование заготовки осуществляют с обеспечением пластического течения ее материала равномерно в двух противоположных направлениях по оси, перпендикулярной к направлению прилагаемого деформационного усилия. Устройство для деформационной обработки материалов содержит верхнюю рабочую часть с полостью и верхний пуансон, при этом оно снабжено нижним пуансоном, а полость нижней рабочей части выполнена из двух частей с прямоугольным сечением и двумя расположенными сверху подпорами клиновидной формы, выполненными с обеспечением площади входных поперечных сечений горизонтальной части полости, которая на 3-20% меньше площади поперечного сечения верхней вертикальной части полости.Closest to the proposed method is the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2383632,
Основными недостатками известных способа и устройства является то, что таким путем не удается добиться анизотропного однородного наноструктурного материала, хотя сравнение структуры в поперечном и продольном сечениях демонстрирует отсутствие заметной анизотропии формы зерен.The main disadvantages of the known method and device is that in this way it is not possible to achieve anisotropic homogeneous nanostructured material, although a comparison of the structure in the transverse and longitudinal sections demonstrates the absence of a noticeable anisotropy in the shape of the grains.
Известные способ и устройство позволяют за счет ИПД получать ультрамелкозернистое и наноструктурированное состояние материала заготовки, однако полученного уровня механических свойств материала не достаточно для изготовления ответственных конструкций.The known method and device allows due to SPD to obtain ultrafine-grained and nanostructured state of the workpiece material, however, the obtained level of mechanical properties of the material is not enough for the manufacture of critical structures.
Задачей изобретения является разработка способа и устройства, обеспечивающих более технологичное и менее затратное получение однородного объемного материала заготовок в субмикрокристаллическом и наноструктурированном состоянии с улучшенным уровнем механических свойств.The objective of the invention is to develop a method and device that provides a more technological and less expensive to obtain a homogeneous bulk material of the workpieces in a submicrocrystalline and nanostructured state with an improved level of mechanical properties.
Указанный технический результат достигается тем, что способ деформирования для получения заготовок в субмикрокристаллическом и наноструктурном состоянии включает последовательную по циклам деформационную обработку исходной заготовки с ее деформированием, которое осуществляют с обеспечением интенсивной пластической деформации заготовки, и далее многоходовую механическую обработку заготовки на прокатном стане, причем каждый цикл деформационной обработки включает размещение заготовки в центре крестообразной полости устройства для деформационной обработки, имеющей прямоугольные пересекающиеся по середине пресс-формы вертикальную и горизонтальную части, ее деформирование, извлечение из указанной полости и переустановку для осуществления следующего цикла путем поворота на 90°, а деформирование осуществляют путем одновременного сжатия заготовки по высоте с двух сторон в середине крестообразной полости с обеспечением пластического течения материала заготовки в двух противоположных направлениях по оси, перпендикулярной направлению прилагаемого деформационного усилия, и с ограничением деформации заготовки стенками горизонтальной части полости, которая имеет закругленные сверху и снизу боковые торцы и по два расположенных сверху и снизу подпоров клиновидной формы, выполненных с обеспечением площади входных поперечных сечений горизонтальной части полости, которые на 2-10% меньше площади поперечного сечения вертикальной части полости.The specified technical result is achieved by the fact that the deformation method for producing billets in a submicrocrystalline and nanostructured state includes sequentially bending deformation processing of the initial billet with its deformation, which is carried out with intensive plastic deformation of the billet, and then multi-pass machining of the billet on a rolling mill, each the deformation processing cycle includes placing the workpiece in the center of the cruciform cavity of the device d I deformation processing having rectangular vertical and horizontal parts intersecting in the middle of the mold, its deformation, extraction from the specified cavity and reinstallation for the next cycle by turning through 90 °, and deformation is carried out by simultaneously compressing the workpiece in height from two sides in the middle cross-shaped cavity with the plastic flow of the workpiece material in two opposite directions along an axis perpendicular to the direction of the applied deformation about the effort, and with the restriction of the deformation of the workpiece by the walls of the horizontal part of the cavity, which has lateral ends rounded at the top and bottom and two wedge-shaped supports located above and below, made to ensure the input cross-sectional area of the horizontal part of the cavity, which is 2-10% less cross-sectional area of the vertical part of the cavity.
В способе используют деформационное устройство с горизонтальной частью полости, которая состоит из двух частей, первая из которых ограничена сверху и снизу подпорами клиновидной формы с углами при вершине клиньев, составляющих 75-80°, а вторая имеет прямоугольную форму и выполнена с площадью поперечного сечения, которая на 0,6-1% меньше площади поперечного сечения верхней вертикальной части полости.The method uses a deformation device with a horizontal part of the cavity, which consists of two parts, the first of which is bounded above and below by wedge-shaped supports with angles at the top of the wedges comprising 75-80 °, and the second has a rectangular shape and is made with a cross-sectional area, which is 0.6-1% less than the cross-sectional area of the upper vertical part of the cavity.
Многоходовую механическую обработку заготовки на прокатном стане осуществляют при первоначальном и промежуточном подогреве и окончательном отжиге.Multi-pass machining of the workpiece in a rolling mill is carried out during initial and intermediate heating and final annealing.
Ступенчатую многоходовую механическую обработку заготовки на прокатном стане осуществляют с поворотом заготовки вокруг продольной оси на угол 90° по часовой стрелке и с разворотом ее на 180° для каждой следующей ступени.Step-by-step multi-pass machining of a workpiece on a rolling mill is carried out with the workpiece turning around the longitudinal axis by an angle of 90 ° clockwise and with a 180 ° turn for each next stage.
Ступенчатую многоходовую механическую обработку заготовки на прокатном стане осуществляют со степенью обжатия за одну ступень, исключающей появление на заготовке магистральных трещин.Stepwise multi-pass machining of the workpiece on a rolling mill is carried out with a compression ratio of one step, eliminating the appearance of main cracks on the workpiece.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство деформирования для получения заготовок в субмикрокристаллическом и наноструктурированном состоянии содержит рабочую часть с крестообразной полостью в виде пересекающихся в середине вертикальной и горизонтальной частей, а также верхний и нижний пуансоны, причем горизонтальная часть полости имеет закругленные сверху и снизу боковые торцы и по два расположенных сверху и снизу подпора клиновидной формы, выполненных с обеспечением площадей входных поперечных сечений горизонтальной части полости, которые на 2-10% меньше площади поперечного сечения вертикальной части полости.The specified technical result is also achieved by the fact that the deformation device for producing workpieces in a submicrocrystalline and nanostructured state contains a working part with a cross-shaped cavity in the form of vertical and horizontal parts intersecting in the middle, as well as upper and lower punches, the horizontal part of the cavity having rounded top and bottom lateral ends and two located above and below the wedge-shaped back-up made to provide input cross-sectional areas the horizontal portion of the cavity, which is 2-10% smaller than the cross sectional area of the vertical part of the cavity.
Горизонтальная часть полости выполнена из двух частей, первая из которых ограничена сверху и снизу подпорами клиновидной формы с углами при вершинах клиньев, составляющими 75-80°, а вторая имеет прямоугольную форму и выполнена с площадью поперечного сечения, которая на 0,6-1% меньше площади поперечного сечения вертикальной части полости.The horizontal part of the cavity is made of two parts, the first of which is bounded above and below by wedge-shaped supports with angles at the tops of the wedges of 75-80 °, and the second has a rectangular shape and is made with a cross-sectional area of 0.6-1% less than the cross-sectional area of the vertical part of the cavity.
Устройство выполнено разборным.The device is collapsible.
Углы при вершинах клиновидных подпоров и боковые торцы горизонтальной части полости выполнены сверху и снизу закругленными радиусом, составляющим 0,2-0,3 диаметра вписанной в указанную часть полости окружности.The angles at the tops of the wedge-shaped supports and the lateral ends of the horizontal part of the cavity are made from above and below by a rounded radius of 0.2-0.3 of the diameter of the circle inscribed in the indicated part of the cavity.
Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.
Предлагаемые способ и устройство позволяют осуществлять деформацию заготовок, имеющих первоначально различную геометрическую форму. Размещение заготовки в пресс-форме осуществляют таким образом, что при деформировании заготовка находится в замкнутом пространстве, и подпор ее боковых граней в середине вертикальной части устройства осуществляется 4 гранями. Деформационная обработка включает последовательное циклическое деформирование заготовки сжатием по высоте в замкнутом пространстве таким образом, что пластическое течение материала происходит в 2-х противоположных направлениях под углом 90° к направлению деформирующего усилия. Предлагаемое устройство имеет сверху и снизу горизонтальной части двухсторонний клиновидной формы подпор с закругленными углами при вершинах 75-80° клиньев, а боковые торцы закруглены для формирования при прессовании закругленных боковых торцов заготовки, что значительно облегчает переустановку образца для следующего цикла прессования. Все это позволяет производить за один цикл более интенсивную (на 6-10%) величину деформации, по сравнению с прототипом, а также уменьшить величину растягивающих напряжений, которые могут приводить к образованию боковых трещин.The proposed method and device allows the deformation of workpieces having initially various geometric shapes. The placement of the workpiece in the mold is carried out in such a way that during deformation the workpiece is in a confined space, and its lateral faces are supported in the middle of the vertical part of the device by 4 faces. Deformation processing involves sequential cyclic deformation of the workpiece by compression in height in an enclosed space so that the plastic flow of the material occurs in 2 opposite directions at an angle of 90 ° to the direction of the deforming force. The proposed device has a wedge-shaped double-sided support with rounded corners at the vertices of 75-80 ° at the top and bottom of the horizontal part, and the side ends are rounded to form rounded lateral ends of the workpiece when pressing, which greatly facilitates the reinstallation of the sample for the next pressing cycle. All this allows for one cycle to produce a more intense (by 6-10%) strain value, compared with the prototype, as well as reduce the magnitude of tensile stresses, which can lead to the formation of side cracks.
Кроме того, учитывая, что площадь поперечного сечения горизонтальной полости на 0.6-1% меньше, чем площадь поперечного сечения вертикальной полости, а боковые закругленные торцы помогают сформировать торцы заготовки закругленными, за счет этого существенно улучшается технологичность процесса прессования, т.к. нет необходимости дополнительной механической обработки заготовки для осуществления следующего шага прессования, что экономит время и материальные затраты. Наличие закругленных углов у клиновидных подпоров способствует плавному пластическому деформированию заготовок при прохождении клиновидных подпоров и требует меньших усилий пресса. Такого результата удается получить благодаря работе на современном прессе, управляемым компьютером и позволяющем фиксировать во времени зависимость прилагаемого усилия от степени деформации.In addition, given that the cross-sectional area of the horizontal cavity is 0.6-1% less than the cross-sectional area of the vertical cavity, and the lateral rounded ends help to shape the ends of the workpiece rounded, this greatly improves the processability of the pressing process, since there is no need for additional machining of the workpiece to carry out the next pressing step, which saves time and material costs. The presence of rounded corners of the wedge-shaped supports contributes to the smooth plastic deformation of the workpieces during the passage of wedge-shaped supports and requires less press efforts. This result can be obtained through work on a modern press controlled by a computer and allowing to fix in time the dependence of the applied effort on the degree of deformation.
Новым является то, что деформирование происходит одновременно с двух сторон в крестообразную полость через четыре клиновидных подпора горизонтального канала, что существенно увеличивает суммарную деформацию сдвига за один цикл прессования.New is that deformation occurs simultaneously from two sides into a cruciform cavity through four wedge-shaped supports of the horizontal channel, which significantly increases the total shear deformation in one pressing cycle.
При переустановке заготовки для последующего этапа прессования осуществляется поворот заготовки вокруг продольной оси по часовой стрелке на 90° и разворот на 180° после каждого цикла прессования.When reinstalling the workpiece for the subsequent pressing stage, the workpiece rotates around the longitudinal axis clockwise by 90 ° and rotates 180 ° after each pressing cycle.
После первого цикла деформирования заготовка приобретает прямоугольную форму с закругленными торцами и готова для последующих циклов деформирования. Степень деформации в каждом отдельном цикле можно изменять за счет изменения высоты нижнего пуансона. Удаление деформируемой заготовки производят с помощью выталкивателя без разбора пресс-формы.After the first deformation cycle, the workpiece acquires a rectangular shape with rounded ends and is ready for subsequent deformation cycles. The degree of deformation in each individual cycle can be changed by changing the height of the lower punch. Deformable workpiece is removed using a pusher indiscriminately in the mold.
Данный способ позволяет получать за счет ИПД ультрамелкозернистую структуру обрабатываемого материала со средним размером зерна не более 0,2 мкм, что положительно сказывается на прочностных характеристиках материала. Для получения наноструктурированного состояния материала дополнительно проводят прокатку на валках с ручьями многогранной или полукруглой форм разного размера, что позволяет при малой степени деформации добиться упрочнения материала. Прокатка проводится с первоначальным подогревом 150-200°C, с промежуточным подогревом 200-220°C и окончательным отжигом при температуре 300-350°C в течение 1-2 часов. Величина конечной деформации может достигать 90%. В результате получаем упрочненные прутки многогранной или круглой форм в наноструктуртрованном состоянии.This method allows to obtain due to SPD ultrafine-grained structure of the processed material with an average grain size of not more than 0.2 μm, which positively affects the strength characteristics of the material. To obtain a nanostructured state of the material, rolling is additionally carried out on rolls with streams of multifaceted or semicircular shapes of different sizes, which allows hardening of the material with a small degree of deformation. Rolling is carried out with initial heating of 150-200 ° C, with intermediate heating of 200-220 ° C and final annealing at a temperature of 300-350 ° C for 1-2 hours. The final strain can reach 90%. As a result, we obtain hardened bars of a multifaceted or round shape in a nanostructured state.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.
На фиг.1 представлен общий вид устройства и заготовки.Figure 1 presents a General view of the device and the workpiece.
На фиг.2 представлен общий вид устройства и заготовки после деформации.Figure 2 presents a General view of the device and the workpiece after deformation.
На фиг.3 показано извлечение заготовки из пресс-формы.Figure 3 shows the extraction of the workpiece from the mold.
Представленное на фиг.1 устройство представляет пресс-форму (1), основание прессформы (2), верхнего и нижнего пуансонов (3), между которыми помещена заготовка (4), рабочая полость (5) с клиновидными подпорами (6), верхней и нижней плит пресса (7) и поддерживающими деформируемыми элементами (8). Цифрой (9) обозначены два нижних пуансона-вкладыша с закругленными клиновидными подпорами. Использование клиновидных подпоров при прессовании позволяет увеличить степень деформации на 6-10%. Выбор размеров поперечных сечений площадей клиновидных подпоров 2-10% обусловлен пластичностью используемых для деформирования материалов. Для сплавов с высокой пластичностью целесообразно соотношение площадей поперечных сечений выбирать по нижней границе интервала 2-10% для обеспечения эффективного подпора. Из нашего опыта получено, что для титана ВТ 1-0 оптимальным является 3-5% подпор.The device shown in Fig. 1 represents a mold (1), the base of the mold (2), the upper and lower punches (3), between which the workpiece (4), the working cavity (5) with wedge-shaped supports (6), the upper and bottom press plates (7) and supporting deformable elements (8). The number (9) indicates the two lower insert punches with rounded wedge-shaped supports. The use of wedge-shaped supports during pressing allows to increase the degree of deformation by 6-10%. The choice of cross-sectional sizes of the areas of wedge-shaped supports of 2-10% is due to the ductility of the materials used for deformation. For alloys with high ductility, it is advisable to choose the ratio of the cross-sectional areas along the lower boundary of the interval 2-10% to ensure effective backwater. From our experience, it was found that for titanium VT 1-0, 3-5% backwater is optimal.
На фиг.2 показано совмещение деформации средней части заготовки в стесненных условиях и деформации ее верхней и нижней частей в горизонтальную полость под углом 90°. При прохождении материала через клиновидные закругленные подпоры происходит более интенсивная пластическая деформация сдвига в области пересечения каналов, что существенно ускоряет измельчение структуры заготовки по всему объему, а это позволяет сократить число циклов прессования и, следовательно, уменьшить материальные затраты.Figure 2 shows the combination of deformation of the middle part of the workpiece in cramped conditions and deformation of its upper and lower parts into a horizontal cavity at an angle of 90 °. When the material passes through the rounded wedge-shaped supports, a more intense plastic shear deformation occurs in the channel intersection region, which significantly accelerates the grinding of the workpiece structure throughout the volume, and this reduces the number of pressing cycles and, consequently, reduces material costs.
На фиг.3 представлено устройство для извлечения заготовки после деформации. Устройство устанавливается на кольцо-приемник (10), в которое выталкивателем (3) выдавливается заготовка (4), и пуансоны (9). Наличие боковых закругленных торцов и пуансонов-вкладышей (9) облегчает задачу освобождения заготовки из пресс-формы и не деформирует торцы заготовки при извлечении (торцы пуансонов и каналы пресс-формы обильно смазываются смазкой).Figure 3 presents a device for removing the workpiece after deformation. The device is mounted on a receiver ring (10), into which a workpiece (4) and punches (9) are squeezed out by an ejector (3). The presence of lateral rounded ends and liner punches (9) facilitates the task of releasing the workpiece from the mold and does not deform the ends of the workpiece during removal (the ends of the punches and mold channels are greased with grease).
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
Устройство помещается на основании и разогревается в муфельной печи до заданной температуры. Затем в устройство помещается заготовка и также нагревается до заданной температуры в течение 10-15 минут.The device is placed on the base and heated in a muffle furnace to a predetermined temperature. Then, a workpiece is placed in the device and is also heated to a predetermined temperature for 10-15 minutes.
Соотношение высоты заготовки к ее диаметру (толщине) может достигать 4-5. Большее соотношение приводит к потере устойчивости заготовки при прессовании (заготовка гнется). Для равномерного прогрева заготовка при каждом цикле нагревалась с одной и той же скоростью. Скорость нагрева рассчитывалась по эмпирической формуле Доброхотова Н.Н.:The ratio of the height of the workpiece to its diameter (thickness) can reach 4-5. A larger ratio leads to a loss of stability of the workpiece during pressing (the workpiece bends). For uniform heating, the workpiece was heated at the same speed during each cycle. The heating rate was calculated according to the empirical formula of Dobrokhotov N.N .:
t=kD3/2,t = kD 3/2 ,
где t - время нагрева, час; D - диаметр (толщина) заготовки, k - коэффициент, равный 12,5 для низкоуглеродистой стали и 25 для высоколегированной стали (Технология конструкционных материалов. - М.: Машиностроение. - 1976, 664 с.). Затем заготовку подвергают интенсивной пластической деформации в полости устройства. Далее заготовка извлекается из полости устройства и переустанавливается путем поворота на 90°. Последовательность операций прессования осуществляется 3-4 раза при каждой температуре.where t is the heating time, hour; D is the diameter (thickness) of the workpiece, k is a coefficient equal to 12.5 for low carbon steel and 25 for high alloy steel (Technology of structural materials. - M .: Engineering. - 1976, 664 p.). Then the workpiece is subjected to intense plastic deformation in the cavity of the device. Next, the workpiece is removed from the cavity of the device and reinstalled by rotation through 90 °. The sequence of pressing operations is carried out 3-4 times at each temperature.
Таким образом, предложенные способ и устройство позволяют за счет совмещения метода свободной ковки в стесненных условиях в методе крестообразного прессования при многократном цикле получать большую степень деформации и, соответственно, большую степень однородности при измельчении получаемой структуры.Thus, the proposed method and device allow, due to the combination of the free forging method in cramped conditions, using the cross pressing method during a multiple cycle, to obtain a large degree of deformation and, accordingly, a greater degree of uniformity when grinding the resulting structure.
Изобретение поясняется следующим примером.The invention is illustrated by the following example.
Заготовку из технически чистого титана марки ВТ 1-0, в виде прутка диаметром 20 мм и высотой 60 мм с однородной мелкозернистой структурой со средним размерам зерна, равным 15 мкм, подвергали интенсивной пластической деформации по описанному выше способу. Пластическую деформацию проводили на прессе при последовательном понижении температуры в интервале 500, 450, 400°C. Заготовка выдерживалась при заданной температуре 10-15 мин. При расчете скорости нагрева коэффициент k был принят равным 25, так как удельная теплоемкость титана в указанном интервале температур близка к высоколегированным сталям.A billet made of technically pure titanium of grade VT 1-0, in the form of a bar with a diameter of 20 mm and a height of 60 mm with a homogeneous fine-grained structure with an average grain size of 15 μm, was subjected to intense plastic deformation according to the method described above. Plastic deformation was performed on a press with a successive decrease in temperature in the range of 500, 450, 400 ° C. The workpiece was kept at a given temperature for 10-15 minutes. When calculating the heating rate, the coefficient k was taken equal to 25, since the specific heat of titanium in the indicated temperature range is close to high alloy steels.
Нагретое устройство вместе с заготовкой и основанием помещалось между верхней и нижней плитами пресса. Затем заготовка подвергалась деформированию со скоростью 1,2 мм/сек. По окончании процесса деформирования устройство устанавливалось на кольцо-приемник, в которое посредством выталкивателя извлекались заготовка и пуансоны. Далее заготовка переустанавливалась в полость устройства путем поворота на 90° по часовой стрелке для следующего шага деформирования. Размер и объем рабочей полости можно регулировать с помощью размеров нижних пуансонов.The heated device along with the workpiece and the base was placed between the upper and lower plates of the press. Then the workpiece was subjected to deformation at a speed of 1.2 mm / sec. At the end of the deformation process, the device was installed on the receiver ring, into which the workpiece and punches were removed using the ejector. Next, the workpiece was reinstalled into the cavity of the device by turning 90 ° clockwise for the next step of deformation. The size and volume of the working cavity can be adjusted using the sizes of the lower punches.
При одной и той же температуре заготовку деформировали несколько раз со сменой оси деформации. Накопленная логарифмическая степень деформации достигала e≥6. После деформационной обработки на прессе получали заготовку с субмикрокристаллической структурой со средним размером зерна не более 0,2 мкм. Применение закругленных клиновидных подпоров при многократном прессовании в крестообразную полость одновременно в двух противоположных направлениях позволяет уменьшить число циклов прессования на 15-25%, что позволяет сократить временные и материальные затраты. При прессовании необходимо тщательно смазывать рабочие полости для избежания появления задиров на поверхности заготовок. Наличие закруглений у клиновидных подпоров в горизонтальном канале существенно помогает улучшению пластического деформирования заготовки, а также решению проблемы смазки, так как позволяет равномерно распределить смазку в горизонтальном канале. Наличие закругленных торцов в горизонтальной полости позволяет получать заготовки после прессования с торцами закругленной формы, сразу же пригодными для следующих циклов прессования, что делает процесс более дешевым, быстрым и технологичным.At the same temperature, the workpiece was deformed several times with a change in the axis of deformation. The accumulated logarithmic degree of deformation reached e≥6. After deformation processing on the press, a preform with a submicrocrystalline structure with an average grain size of not more than 0.2 μm was obtained. The use of rounded wedge-shaped supports with multiple pressing into the cruciform cavity simultaneously in two opposite directions can reduce the number of pressing cycles by 15-25%, which reduces the time and material costs. When pressing, it is necessary to carefully lubricate the working cavities to avoid the appearance of scoring on the surface of the workpieces. The presence of rounding of wedge-shaped supports in the horizontal channel significantly helps to improve the plastic deformation of the workpiece, as well as to solve the problem of lubrication, as it allows you to evenly distribute the lubricant in the horizontal channel. The presence of rounded ends in the horizontal cavity allows you to obtain blanks after pressing with ends of a rounded shape, immediately suitable for the following pressing cycles, which makes the process cheaper, faster and more technologically advanced.
После окончания ИПД на прессе, заготовку извлекали из пресс-формы и охлаждали до 150-200°C, затем подвергали многоступенчатой прокатке на прокатном стане на валках с ручьями многогранной или полукруглой форм разного размера. Размеры многогранных или полукруглых ручьев рассчитаны так, чтобы обеспечивался плавный переход по степени деформации при переходе от большего размера ручья к меньшему размеру ручья. Только прокатка с небольшой степенью обжатия на каждом шаге позволяет более тщательно измельчать структуру материала. Прокатку необходимо проводить с регулярным поворотом заготовки вокруг продольной оси на 90 градусов по часовой стрелке и с разворотом на 180 градусов. Проведенные исследования зерен на просвечивающем электронном микроскопе показывали, что на этом этапе зерна дополнительно измельчаются примерно до 0,1 мкм и большей частью (до 60%) границы становятся болыпеугловыми границами. Для предотвращения преждевременного разрушения материала при прокатке степень обжатия за один проход экспериментально подбирается таким образом, чтобы не допустить формирования магистральных трещин в заготовке. Количество проходов определяется требуемой степенью деформации заготовки, которая может достигать до 85-90%. Фактически прокатку проводят при малых степенях обжатия, начиная с первого цикла прокатки. Промежуточный подогрев заготовки (при достижении степени деформации 45-50%) способствует интенсификации процесса деформирования и снижает остаточные напряжения. Использование специально сконструированных валков с многогранными или полукруглыми ручьями с грамотно рассчитанными размерами ручьев позволяет получать более интенсивную деформацию за один проход, так как обжатие образца происходит одновременно со всех сторон, что приводит к существенному упрочнению материала по сравнению с прототипом. За счет этого удается дополнительно сократить количество циклов прокатки и, следовательно, уменьшить энергоемкость процесса. В результате ИПД и прокатки с первоначальным и промежуточным подогревами при малых степенях обжатия получают заготовки металлов в наноструктурированном состоянии, которые обладают высокими прочностными характеристиками с сохранением достаточного уровня технологической пластичности.After finishing the SPD in the press, the billet was removed from the mold and cooled to 150-200 ° C, then it was subjected to multi-stage rolling on a rolling mill on rolls with streams of multifaceted or semicircular shapes of different sizes. The dimensions of polyhedral or semicircular streams are designed so as to ensure a smooth transition in the degree of deformation during the transition from a larger stream to a smaller stream. Only rolling with a small degree of reduction at each step allows a more thorough grinding of the material structure. Rolling must be carried out with a regular rotation of the workpiece around the longitudinal axis 90 degrees clockwise and with a turn of 180 degrees. The studies of grains using a transmission electron microscope showed that at this stage the grains are additionally crushed to about 0.1 μm and for the most part (up to 60%) the boundaries become large-angle boundaries. To prevent premature destruction of the material during rolling, the degree of compression in one pass is experimentally selected in such a way as to prevent the formation of main cracks in the workpiece. The number of passes is determined by the required degree of deformation of the workpiece, which can reach up to 85-90%. In fact, rolling is carried out at low degrees of reduction, starting from the first rolling cycle. The intermediate heating of the workpiece (upon reaching the degree of deformation of 45-50%) contributes to the intensification of the deformation process and reduces residual stresses. The use of specially designed rolls with polyhedral or semicircular streams with correctly calculated sizes of streams allows to obtain more intense deformation in one pass, since the compression of the sample occurs simultaneously from all sides, which leads to a significant hardening of the material compared to the prototype. Due to this, it is possible to further reduce the number of rolling cycles and, therefore, reduce the energy intensity of the process. As a result of SPD and rolling with initial and intermediate heating at low degrees of compression, metal blanks in a nanostructured state are obtained that have high strength characteristics while maintaining a sufficient level of technological ductility.
Существенным недостатком полученных заготовок металлов является то, что они находятся в сильно напряженном состоянии. Для снятия внутренних напряжений была отработана оптимальная технология схемы отжига полученных заготовок. Для этого были проведены параметрические исследования по влиянию времени и температуры отжига на механические свойства материалов. Оказалось, что оптимальные результаты получаются при температурах отжига 250-350°C и времени отжига 1-2 часа. При таком оптимальном отжиге удается сохранить высокие прочностные характеристики материалов при сохранении достаточной пластичности с минимальным увеличением размера зерен (на 10-15%).A significant drawback of the obtained metal blanks is that they are in a very stressed state. To relieve internal stresses, the optimal technology of the annealing scheme for the obtained billets was worked out. For this, parametric studies were conducted on the effect of annealing time and temperature on the mechanical properties of materials. It turned out that optimal results are obtained at annealing temperatures of 250-350 ° C and annealing time of 1-2 hours. With such optimal annealing, it is possible to maintain high strength characteristics of materials while maintaining sufficient ductility with a minimum increase in grain size (by 10-15%).
По окончании описанных выше процедур проводится контроль структуры и физико-механических свойств полученных прутков.At the end of the procedures described above, the structure and physico-mechanical properties of the resulting bars are monitored.
Механические характеристики титана ВТ1-0 после ИПД, прокатки и отжига представлены в таблице.The mechanical characteristics of titanium VT1-0 after SPD, rolling and annealing are presented in the table.
Таким образом, предложенные способ и устройство для получения материала заготовок в субмикрокристаллическом и наноструктурном состоянии, позволяют получить улучшенные механические свойства многогранных или круглых прутков, а также позволяют сократить временные и энергетические затраты для производства заготовок металлов за счет уменьшения количества проходов при прессовании и прокатке с использованием специальных валков с многогранными или полукруглыми ручьями разных размеров и форм, а применение оптимального отжига позволяет увеличить технологическую пластичность.Thus, the proposed method and apparatus for producing the workpiece material in a submicrocrystalline and nanostructured state allows to obtain improved mechanical properties of polyhedral or round bars, and also reduce the time and energy costs for the production of metal blanks by reducing the number of passes during pressing and rolling using special rolls with polyhedral or semicircular streams of different sizes and shapes, and the use of optimal annealing allows Jelic technological plasticity.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010123586/02A RU2436847C1 (en) | 2010-06-09 | 2010-06-09 | Procedure of deformation for production of blanks in sub-crystal and nano-structured state and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010123586/02A RU2436847C1 (en) | 2010-06-09 | 2010-06-09 | Procedure of deformation for production of blanks in sub-crystal and nano-structured state and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2436847C1 true RU2436847C1 (en) | 2011-12-20 |
Family
ID=45404346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010123586/02A RU2436847C1 (en) | 2010-06-09 | 2010-06-09 | Procedure of deformation for production of blanks in sub-crystal and nano-structured state and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2436847C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2780238C1 (en) * | 2022-03-31 | 2022-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук | Processing method for aluminum matrix composite |
-
2010
- 2010-06-09 RU RU2010123586/02A patent/RU2436847C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2780238C1 (en) * | 2022-03-31 | 2022-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук | Processing method for aluminum matrix composite |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2393936C1 (en) | Method of producing ultra-fine-grain billets from metals and alloys | |
| CN109482796B (en) | Beta forging and heat treatment method of TC4 titanium alloy disc forging | |
| KR100397266B1 (en) | Method and apparatus for fine particle formation | |
| JP2016503126A5 (en) | ||
| Zhbankov et al. | New schemes of forging plates, shafts, and discs | |
| RU2240197C1 (en) | Method for combination type intensified plastic deformation of blanks | |
| CN108472703B (en) | Method for producing rods from titanium alloys | |
| CN110202109B (en) | Semisolid thixotropic-plastic composite multi-section forming process | |
| KR101187967B1 (en) | Grain refinement apparatus of metal material | |
| JP2008036698A (en) | Method for manufacturing large forged product made of austenitic stainless steel | |
| RU2436847C1 (en) | Procedure of deformation for production of blanks in sub-crystal and nano-structured state and device for its implementation | |
| RU2464116C1 (en) | Method of producing titanium round rods with ultrafine structure | |
| Kashi et al. | Microstructure and mechanical properties of the ultrafine-grained copper tube produced by severe plastic deformation | |
| RU2315117C2 (en) | Method of deformation treatment of materials and device for realization of this method | |
| Salishchev et al. | Formation of submicrocrystalline structure in large size billets and sheets out of titanium alloys | |
| KR20100083183A (en) | Process for producing magnesium alloy material | |
| RU2418092C1 (en) | Procedure for fabrication of titanium work-pieces of polyhedral or round shape in nano structured state and device for deformation treatment of titanium work-pieces | |
| CN106391958A (en) | Method for manufacturing TC4 large-sized titanium alloy inclined tube-type die forged piece | |
| RU2146571C1 (en) | Method for deformation working of materials and apparatus for performing the same | |
| RU2388566C2 (en) | Method to produce titanium alloys with sub microcrystalline strain structure allowing intensive plastic strain | |
| KR101181612B1 (en) | Grain refinement method of metal material | |
| RU2383632C2 (en) | Method of production of billets of hexagonal shape with nano-crystal structure and facility for deformation treatment at implementation of this method | |
| RU2468114C1 (en) | Method to produce superplastic sheet from aluminium alloy of aluminium-lithium-magnesium system | |
| RU2251588C2 (en) | Method for making ultrafine-grain titanium blanks | |
| Esbolat et al. | Development of Asymmetric Rolling as a Severe Plastic Deformation Method: A Review |