автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка технологии, оснастки и оборудования импульсной объемной штамповки

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ'-

На правах рукописи

ВОЛКОВ Анатолий Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ, ОСНАСТКИ И ОБОРУДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ

Специальность 05.16.05 — "Обработка металлов давлением"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994 г.

Работа выполнена на кафедре "Литейное производство и обработка метачлов давлением" Московского государственного открытого университета.

Научный руководитель: академик Международной Академии информации, доктор технических наук, профессор ТЕТЕРИН Г.П.

Официальные оппоненты: Член-корр. АЕН РФ, доктор технических наук, профессор СМИРНОВ О.М. кандидат технических наук, доцент ЧИСТЯКОВ Е.П.

Ведущее предприятие: ВСМПО.

Зашита диссертации состоится "¿а^" иии^ 1994 г> в V/ ч. на заседании специализированного совета ф о^Ъ.о^. в Московском институте сталей и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский пр., д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " (¡¡О " _ 1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совета, Романцев Б.А

— „ ^ — -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность, Из анализа существующих на сегодняшний день технологий для изготовления деталей сложной формы из тугоплавхих и труднодеформируемых металлов (например, тонкостенные баллоны, корпуса наручных часов, запорная арматура и т.п.) следует, что ни одна из них полностью не отвечает требованиям экономичности, качества и скорости производства. Так, например, при производстве детален методом литья под давлением относительно легко добиваются формозаполнения, но при этом получаемая по объему изделия кристаллическая структура менее плотноупакована, чем при обработке давлением, что уменьшает прочностные характеристики детали. Кроме того, металлы с точхой плавления выше 1200°С на данных машинах не обрабатываются.

Горячей объемной штамповкой получают изделия с повышенными механическими свойствами, но ее возможности по сложному формо-заполненшо намного ниже литейных технологий.

Высохая скорость изготовления деталей и высокие показатели использования материала характерны для процессов порошковой металлургии, но при это У! не удается получать изделия с плотностью материала такой как, например, при объемной штамповке.

С помощью гранульной металлургии можно получить изделия высокой механической прочности из тугоплавких металлов, но по скорости производства эти процессы уступают порошковой металлургии н с экономической точки зрения наиболее дорогостоящие.

Поэтому ставится задача создания для нужд производства технологии, способной соединить в себе многие поло^аггельные стороны указанных технологий, при этом экономически более выгодную, с более широкими возможностями изготовления деталей, т.к. существуют нехоторые виды изделий (типа замкнутой сферы), которые невозможно целиком, без дополнительных операций, изготовить ни одним нз вышеперечисленных способов.

Цель работы, На основе выявленных закономерностей разработать прннципналыю новый технологический процесс - импульсной объемной штамповки (ИОШ), который должен обеспечить получение деталей сложной формы, включая объемные, практически из любых металлов и сплавов, с повышенными прочностными характеристиками и высоким качеством погерхноеш, чтоясстнгагтся путем перевода металла в язщкуга фазу с последующим его охлаждением до определенной температуры и обработки ударным дазлг<шем, под действием которого формируется

кристаллическая структура. В отличии от статического воздействия давления на расплав металла, давление ударно-волнового действия распространяется одинаково, как по поверхности изделия, так и в глубь его. Для выполнения этой задачи необходимо:

1. Разработать технологию ИОШ: режим заполнения металлом штампа, его температуру, скорость, возникающее давление и т.п..

2. Разработать устройства, позволяющие осуществить этот процесс.

3. Провести экспериментальную проверку и опытное внедрение технологии ИОШ.

Научная новизна. В работе проведено:

1. Предложен принципиально новый технологический процесс ИОШ, который сводится к нагреву деформируемой заготовки до жидкофаз-ного состояния, охлаждению ее в этом состоянии на определенную величину с последующей обработкой металла ударным давлением определенной величины, под действием которого происходит формирование кристаллической структуры с одновременным формоизменением.

2. Методика и результаты расчетов температурно-кннематических режимов ИОШ, базирующиеся на известных теоретических выкладках, применяемых в различных технологических областях.

3. Предложены два оригинальных устройства для практической реализации процесса ИОШ, новизна которых защищена патентами Российской Федерации.

Разработаны технические требования для проектирования и изготовления установок ИОШ. На опытно-промышленной установке проведено экспериментальное исследование процесса импульсной объемной штамповки производства тонкостенных баллонов из титановых сплавов, осущсстплсно плакирование тонким (толщина 1 мм) слоем Т1 сопла ракетного двигателя, выполненного из углерода (композиционный материал "углерод-углерод"), что подтвердило возможность использования процесса ИОШ для получения изделий нз сплавов и смесей металлов и неметаллоз.

, Диссертационная работа проводилась в рамках программы по повышению качества продукции и снижению трудоемкости, а так же по освоению на Верхнссалдинском производственном металлургическом объединении новых технологических процессов для изготовления фасонных изделий из титановых сплавов.

Опыт промышленной эксплуатации установок ИОШ, при получении деталей сферической формы т титановых сплавов показал, что изделия при данном соотношении параметров не производились ранее нашей промышленностью. Проведенный анализ микроструктуры полученных изделий показывает, что образуется равноосное мелкокристаллическое зерно, без нарушений и трещин.

Анализ технологических возможностей ИОШ показал, что в перспективе данная технология может найти свое применение для получения изделий, использующих а качестве материала такие металлы, как (Мо; N5; и т.п.), которые для изготовления фасонных изделий пока широко не применяются.

Аррпбпиня рпботы. Основные результаты и работа в целом докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях Верхнесалдииского металлургического производственного объединения с целью внедрения технологии ИОШ на ВСМПО в 1993 г. по изготовлению фасонных изделий из титановых сплавов типа запорной арматуры, турбинных лопаток, клапаиа сердца и т.п. на научно-техшгческнх конференциях МГОУ о 1990, 1991, 1992, 1993 годах.

Пубтткпптт. По теме диссертационной работы получено одно авторское свидетельство, два патигга и два положительных решения по заявкам на изобретения.

Структура тт обтем рпботм. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и прнложешю. Работа выполнена на 145 листах, содержит 40 рисуноков, б таблиц, список литературы из 62 наименований и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введешт обосновывается актуальность темы, приводятся научно-технические результаты работы и основные положения, выносимые на защиту.

В данной работе предлагается способ получения готовой детали с внутренней кристаллической структурой одних и тех же параметров по всему сечению изделия, по аналопш с гранульной металлургией, но минуя процесс получения |ранул. Основу данной технологии составляет способность расплавов оставаться в жидком состояшш ниже теоретической температуры плавления, что доказано и обосновано теорией получения аморфных металлов, на базе которой можно рассчитать требуемую в данном случае велнчш(у переохлаждения расплава; другая

часть технологии строится иа способности расплавов под действием давления переходить о твердое состояние.

Для обеспечения равномерной механической прочности изделий, например, титановых баллонов, требуется выбор таких режимов процесса, которые бы позволяли получать бездефектную мелкокристаллическую структуру металла по всему объему изделия. Это достигается за счет обработки металлов давлением с большой скоростью деформации в твердо-жидкой фазе.

Схематическое изображение процесса ИОШ представлено ни (см. рис. 1) кривой Гюгонио и нзонтропс разгрузки, где показана зависимость изменения объема V вещества иод действием давления Р с фазовыми превращениями. Осуществляемый процесс идет согласно кривой 0-1-2-3-4: переохлажденный при давлениирасплав сжимается давлением Р, до объема V, > V,) иа участке 0-1, далее, при незначительном увеличении давления от Р, до'Р?, идет формирование кристалла при значительном уменьшении объема (У2 « V,) на отрезке 1-2 за счет перехода жидкой фазы в твердую; отрезок 2-3 соответствует дальнейшему сжатию уже сформированной кристаллической структуры металла, причем при значительном увеличении давления с Рг до Р3 идет незначительное уменьшение объема металла (Уг У3), так как здесь осуществляется процесс ОМД; отрезок 3-4 показывает, что фазового

обратного перехода не происходит, и поэтому конечный объем металла VK в данном случае меньше, чем первоначальный обгем расплава V , т.к. тепловой рс;;;нм процесса подбирался таюгм образом, чтобы тепловая Э1герпгя способствующая переводу твердой фазы метатла в расплав, перед обработкой давлением была рассеяна в пространство.

Если же металл не переохлаждать, то процесс пойдет согласно участку кривой 3-5; при этом вновь расплавляемый металл за счет давления получает дополнительную энергию, что повышает его температуру и тем самым увеличивает обьем (V?> Vp). Из приведенной на графике шкалы времени (см. рис. 1), видно, что образование н рост кристалла ira участке 1-2 происходит за зремя кристаллизации t, =t,- Ц, в несколько раз меньшее, чем t.a = t9- tE воздействия ударной волнь!, поэтому образуемый кристалл имеет очень мелкую структуру.

Для того, чтобы металл перешел в твердую фазу от воздействия на него давления, и не перешел в расплав после снятия этого давления, требуется, чтобы количество теплоты Q , потерянное металлом за зремя транспортирования его в штамп и нахождения а штампе в процессе его сжатия и окончательного заполнения полостей штампа превышало количество теплоты Qi?, выделенное металлом за гремя его кристаллизации.

Известно, что процесс кристаллизации развивается, гели температура металла Tt ниже температуры плавления Т, на величину 8Т, называемую степенью переохлаждения системы, на которую оказывает влияние скорость охлаждения г)01 (см. рис. 2).

-, . ох 01 ох

С увеличением скорости (\)3 > Uj > "Oi ) охлаждения степень переохлаждения системы (ЗТ3> 5Тг> ST,) также увеличивается, но при этом зре;.:я фазового перехода St. от жидкого металла к твердому уменьшается (8t3 < 5t2 < St,). Поэтому можно подобрать такую степень переохлаждения 8Т3 металла, коща Бремя фазочого перехода 5t3 будет стремиться к нулю. Участки 5t кривой ка рис. 2 показывают время компенсации скрытой теплоты кристаллизация Qrp теплотой Q^, рассеиваемой s пространство, но, если перед началом кристаллизации теплота рассеяния в пространство сравнялась по величине с теплотой кристаллизации Qp= Q , то 5i —» 0. Из этого условия можно рассчитать степень переохлаждения расплава 5Т, по достижении которой время кристаллизации будет стремиться к нулю:

Q = с ■ m • ST;

Рис. 2. Схемы кривых охлаждения чистого металла в зависимости от скорости охлаждения , показывающие зависимость времени & перехода металла из одной фазы в'другую от температуры переохлаждения 6Т

5Т = Ч./с,

где с - удельная теплоемкость металла;

т - масса кристаллизуемого металла;

- удельная теплота кристаллизации металла. Так, например, для Т1 температура переохлаждения 8Т, при которой время кристаллизации 6Т -> 0, составляет:

6Т = я/с = (392 кДж/кг)/(0,53 кДж/(кг-°С)) =739°С. Причем, согласно теории аморфкзации чистых металлов, чистый тнтан способен переохлаждаться до температуры Тк, равной 0,25 Т,, при достаточно высокой (10* °С/сек) скорости охлаждения, т.е. 8Т может достигать 1252°С.

Количество теплоты рассеяния теряемое жидкой фазой металла, вычисляется по формуле:

0р = А<1т-51,

где А - площадь поверхности охлаждаемой подложки, соприкасающейся с расплавом металла, м2; цт - удельный тепловой поток, Вт/м1;

51- время соприкосновения жвдхой фазы металла и псщложки, сек. & = <* Т,

»• :1! • ч х

где а - коэффициент контактной теплопередачи;

Та - разность температур между расплавом и подложкой.

Другом важнейшим параметре», определяющим возможность реализации процесса ИОШ н влияющим на фазовые превращения в металлах, является давление. •

Известно, что высокие (более 1000 МПа) давления значительно (до 25%) уменьшают объем расплава, срачем одновременно происходит увеличение температуры плавления, т.е. они затвердевают. Повышение температуры затвердевания с увеличением давления наблюдается у тех металлов, которые в твердом состоянии занимают меньший объем, чем в жидком. Д ля перевода жидкого металла в твердое состояние требуется воздействие на расплав давления такой величины Р, которое сжимает расплав до плотности соответствующей твердофазному состоянию около температуры плавления Т\

Так, например, для перевода расплавленного П в твердую фазу вблизи его температуры плавления необходимо сжатсге «а § = 1%.

Требуемую величину сжатия расплава можно определить согласно теории сжатнг ударными волнами:

5 = (Vе.) •1СЭ%»

где - скорость сжатия вещества;

С, - скорость распространения продольной волны в веществе.

Отсюда можно рассчитать требуемую скорость столкновения расплава со стенками полостей штампа:

Так, например, для перевода расплава И, находящегося при температуре плавления Т, в твердое состояние, необходимо сжать метата за счет соударения расплава и штампа со скоростью \>а = 27 и/сек, что подтвердилось в проведенных нами экспериментах на опытно-промышленной установке. На опытно-промышленной установке осуществлено плакирование тонким (толщина I мм) споем Т5 сопла ракетного двигателя, выполненного из углерода (композиционный материал "угяерод-углерод"), что подтвердило возможность использования процесса ИОШ для получения изделий из сплавов и смесей металлов и неметаллов.

Время сжатия тела ударным давлением составляет: &4 = 21/С„

гае I - длина тела.

При 1 = 0,5 м для П имеем &е = 7,4- 10^ сек.

Из приведенного примера следует, что время приложения давления Р к расплаву столь короткое, что усчевают сформироваться кристаллы очень малых размеров, не остается времени для роста и потому не образуется дендритная структура. Более того, межкристаллическое пространство, образуемое за счет уменьшения объема металла при переходе его в кристалл, непрерывно заполняется путем принудительного сжатия вновь образующихся кристаллов относительно друг друга под воздействием того же высокого давления, тем самым имеется возможность уменьшения межкристаллической иустотности, т.к. затрудняется образование дислока-ций по сравнению с обычными условиями затвердевания расплава.

В работе представлена укрупненно - приближенная методика расчета режимов для ИОШ. Рассчитанные по ней основные параметры для проведения процесса ИОШ для некоторых металлов приведены в табл. 1.

Металл Величина переохлаждения жидкой фазы, 5Т,°С Скорость столкновения металла и штампа, и,, м/с

Бп 132 46

А1 162 160

Си 278 68

№ 493 57

Ре 326 25

7.п 136 35

Т1 739 27

Аи 254 51

Ас 199 63

РЬ 89 42

Таблица 1

Для осуществления процесса ИОШ автором запатентовано три схемы (5026548/02/006294; 5026538/02/006293; 4385671/02/345675) изготовления установок. 10

Основная схема установки приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схдма устройства для изготовления деталей методом ИОШ

Рассмотрим основные узлы предлагаемой схемы. Установка содержит плавящее устройство I (электрод или плазмотрон или лучевая пушка и т.п.), установленное с помощью уплотнения 2 в камеру давления 3, заполняемую инертным газом. Трубопровод 4 для подачи инертного газа снабжен впускным клапаном 12 для создания ударной газовой волны и герметично прнкреплен к выполненному в виде стакана корпусу 5 камеры 5; перегородка 6, которая является переплав-

ляемой заготовкой из деформируемого металла, установлена на входе в охлаждаемый ствол (металлопровод) 7 и служит разделительной стенкой между камерами. Разъемный штамп 8 установлен под стволом 7 в стахане 9, образующем вакуумную камеру, обращенную в сторону камеры давления. Стакан 9 сообщен трубопроводом 10 с вакуумным насосом (на чертеже не по::аг:н). В перегородке б условно показана ванна расплава металла 11. Плавящее устройство 1 установлено соосно со штампом 8.

Установка способна выдержать как высокий вахуум, так и высокое давление, без каких-либо дополнительных систем управления, причем весь выплавляемый металл расходуется на изделие.

Конструкционная схема установки ИОШ, изображенная на рис. 3, является принципиальной схемой для осуществления предлагаемого процесса. Она полностью оправдала свои преимущества по сравнению с существующими схемами аналогичных машин, за счет своей простоты, малогабаритности и технологичности.

Эксперименты на опытно-промышленной установке показали, что получаемые детали методом ИОШ имеют высокую точность и чистоту поверхности, без отклонений соответствующие рабочей поверхности штампа, что позволяет минимально задействовать мехаио-сбрабптыва-ющее оборудование для окончательной их обработки.

Высокая степень вахуумизации штампа и создание импульса давления инертными газами обуславливают хорошее формозаполиение и высокое качество получаемых изделий.

Эксперименты полностью подтверждают широкие технологические возможности ИОШ по изготовлению деталей сложной формы, т.к. уже иа опытной установке получаемые детали из титановых сплавов имеют толщину до 0,5 мм тогда, как на существующих промышленных установках можно изготавливать титановые изделия с толщиной сечения не менее 2-3 мм.

Металлографическое исследование полученных титановых баллонов в разных частях показало, что микроструктура образцов имеет дисперсную полиэдрическую равноосную структуру, газонасыщенный слой отсутствует, пор, микротрещин не выявлено. Это свидетельствует о том, что высокие скорости охлаждения с одновременной деформацией металла способствуют образованию более дисперсной и однородной структуры. На установке ИОШ были Изготовлены также обратные отображения монет из титановых сплавов, что подтверждает широкие возможности по точному копированию формы деталью из тугоплавких металлов.

1. Установлено, что для осуществления процесса ИОШ требуется перевод деформируемой заготовки металла в жидкую фазу с последующим охлаждением до определенной температуры и обработки его давлением в штампе, под действием которого формируется кристаллическая структура.

2. Показано, что сложное формозаполнение при изготовлении деталей достигается за счет того, что транспортировка металла в полость штампа и основной объем формозаполнення происходят в жидком состоянии.

3. Установлено, что изделие приобретает повышенные механические свойства за счет того, что металл подвергается сложному высокоскоростному термомеханическому воздействию в процессе формообразования.

4. Для реализации процесса ИОШ разработана технологическая схема устройства, предложена методика расчета температурно-динамичес-кого режима для изготовления деталей.

. 5. Реализовано на опытно-промышленной установке ИОШ изготовление деталей сферической формы из титановых сплавов. Изделия при данном соотношении параметров не производились ранее нашей промышленностью. Проведенный анализ микроструктуры изделий

показывает, что образуется равновесное мелкокристаллическое зерно, без нарушений и трещин.

б. Анализ технологических возможностей ИОШ показал, что в перспективе данная технология может найти применение для получения изделий из (Mo, Nb, W и т.п.), которые для изготовления фасонных деталей ранее не применялись.

Основное содержание диссертации опублнховано в работах:

1. A.c. 1752502А1 МКИ В22Д 18/00. / Ä.E. bWod (SUb 5 е.; 11л.

2. Патент Российской Федерации 5026538/02/006293 МКИ В22Д

18/00./Ä.E. Волков- 5 е.; ил.'.

3. Патент Российской Федерации 5026548/02/006294 МКИ В22Д 18/00. / а.Е Волков - 5 е.; ил.J

4. Волков А.Е., Тетерии Г.П. Изготовление деталей сложной формы из труднодеформируемых материалов. /Деп. Черметниформация 20.03.94 г. - N2 5991 -6 с.