CC BY
31
УДК 621.762.4
Канд. техн. наук М. І. Носенко, д-р техн. наук В. О. Павлов Національний технічний університет, м. Запоріжжя
ОПТИМІЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ ГАРЯЧОЇ ДЕФОРМАЦІЇ ПОРИСТИХ ЗАГОТОВОК З ПОРОШКІВ ТИТАНУ, МІДІ, АЛЮМІНІЮ ПРИ ОТРИМАННІ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦІЙНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
При різних схемах напружено-здеформованого стану визначено оптимальні технологічні параметри й умови гарячої деформації пористих заготовок з порошків титану, міді й алюмінію. Вони забезпечують виготовлення безпористого матеріалу з найкращим комплексом властивостей міцності та пластичності на рівні литого здеформованого металу та вище.
Ключові слова: гаряча деформація, оптимізація, порошкова заготовка, інтенсивність деформацій зсуву,
щільність, структура, механічні властивості.
Технологія процесів гарячої деформації є одним з перспективних напрямів у галузі конструкційних матеріалів та виробів із заданим рівнем механічних та експлуатаційних властивостей. Тому дослідження і встановлення параметрів термомеханічного режиму, закономірностей формування структури та механічних властивостей при виробництві деталей є важливою науковою та практичною проблемою.
Метою роботи є дослідження процесів гарячої деформації пористих заготовок з порошків титану, міді, алюмінію та оптимізація їх параметрів.
Вплив гарячої деформації на структуру та властивості порошкових металів (титан ПТЕС-1, ПТЕК-1, ТГ-ТВ, мідь ПМС-1, алюміній ПА-2) досліджували в умовах всебічного рівномірного (штампування в закритому штампі) та нерівномірного (штампування з елементами витікання та видавлювання) стиску. Заготовки різної щільності (0^ = 70 - 90 %) отримували
холодним двохстороннім пресуванням. Гарячу деформацію здійснювали на кривошипному пресі КА2330. Процеси осцилографували. Для аналізу закономірностей деформації використовували метод координатних сіток, які наносили на меридіональний переріз заготовок. Інтенсивність деформацій зсуву Г■ та деформацію зсуву у Г2 визначали відповідно методиці [1].
Рівень кінцевої щільності в об’ємі формовуваної заготовки залежить від інтенсивності деформацій зсуву, котра для даних металів є величиною постійною і залежить від щільності заготовок, схеми і ступеня деформації. При штампуванні у закритому штампі найбільш деформованою та ущільненою є центральна частина заготовки, а пори концентруються в при-контактних зонах утрудненої деформації. Середня відносна щільність виробів складає 98,0-98,5 %. Схе-
© М. І. Носенко, В. О. Павлов, 2011
ма напружень на заключній стадії процесу максимально наближується до всебічного рівномірного стиску, що перешкоджає зростанню величини Г■ та відповідній їй кінцевій щільності. Штампування з елементами витікання та видавлювання протікають за схемою всебічного нерівномірного стиску, що забезпечує подальше зростання інтенсивності деформацій
зсуву та ступеня ущільнення (00 = 99,8 —100 %).
Безпористий стан металу при деформації заготовок різної щільності досягається при визначених значеннях Гі (таблиця 1).
Таблиця 1 - Величина інтенсивності деформацій зсуву, що забезпечує отримання безпористого металу
Щільність заготовок 00,% 70 75 80 85 90
Г 0 О 2,93 2,82 2,71 2,59 2,47
Задані величини Гі та максимальна кінцева щільність виробів забезпечується при встановлених оптимальних параметрах деформації (рис. 1): температура 900950 °С для титану та міді; 500-550 °С - алюмінію; ступінь деформації на першій стадії процесу (осадка) -на рівні технологічної пластичності [2], а саме
в0 = 35 — 52 % (ПТЕС-1, ПТЕК-1), 45-56 % (ПМС-1), 42-54 % (ПА-2) - при закритому штампуванні; коефіцієнт витікання Квит = 9 (титан), 7 (мідь), 5,5 (алюміній) - при штампуванні з елементами витікання; коефіцієнт витяжки ц = 14 (титан), 9 (мідь), 6 (алюміній) - при видавлюванні.
4 5 6 7 & а!»/я
4 6 8 ІО І2 /<
Рис. 1.
Для досягнення однакової кінцевої щільності металу процеси деформації за схемою всебічного рівномірного стиску, порівняно з нерівномірним, протікають при більшому тиску (рис. 2). Штампування в закритому штампі з максимально допустимою деформацією при осадці на рівні технологічної пластичності за схемою всебічного нерівномірного стис-
Рис. 2.
ку, порівняно з рівномірним, протікає при мінімальному тиску. Подальше зменшення тиску забезпечується при штампуванні з елементами витікання та при видавлюванні. Максимальну щільність матеріалів при встановлених оптимальних деформації і температурі забезпечує тиск 700-800 МПа (титан), 500-600 МПа (мідь) і 380-460 МПа (алюміній) - при штампуванні в закритому штампі, 560-650 МПа (титан), 400-480 МПа (мідь) і 290-365 МПа (алюміній) - при штампуванні з елементами витікання, 220-260 МПа (титан), 120-160 МПа (мідь) і 70-95 МПа (алюміній) - при видавлюванні.
Встановлено, що щільність, яка досягається - не єдиний критерій, що визначає формування структури і властивостей металлу. В залежності від схеми напру-жено-здеформованого стану при однаковій кінцевій щільності порошкового металлу змінюються характеристики викривлення пігулки координатної сітки, мікроструктура, пластичні властивості і, особливо, ударна в’язкість (КСи). Досягнення визначеного рівня Гі і відповідної щільності відбувається без (або з малими значеннями) деформації зсуву у- при всебічному рівномірному стиску, із зростанням угг - при всебічному нерівномірному стиску (рис. 3). Аналіз фрактограм зламу зразків після деформації показав, що при всебічному рівномірному стиску на границях зерен утворюються скупчення оксидних плівок. Кількість ділянок крихкого міжзеренного зламу в зразках зменшується при переході від рівномірного до нерівномірного стиску, який сприяє більш регулярному розподілу оксидних плівок в об’ємі металу із зростанням кількості зон їх розриву та підсиленню дифузії
40 ЗО 50 ?0 &,,%
4 6 б 40 К&цт
2. Т 6~ ' Ю ’ /4 ^
Рис. 3.
у процесі деформації. При цьому рівень пластичних властивостей і ударної в’язкості змінюється в широкому діапазоні, наприклад,
8 = 28 - 42 %, у = 40 - 57 %,КСи = 750 -1900 кДж /м2 для порошкового титану ПТЕС-1, ПТЕК-1. Більш високі пластичні властивості, особливо ударну в’язкість порошкового титану, при рівні міцності ств = 400 - 440 МПа , забезпечує всемірний нерівномірний стиск (видавлювання і штамповка з елементами витікання): 8 = 40 - 42% і 32-35 %,
у = 54 - 57 % і 42-47 %, КСи = 1750 -1900 кДж /м2
і 1200 -1330кДж/м відповідно, або сполучення всебічного рівномірного з наступним нерівномірним стиском (штампування в закритому штампі та видавлювання): 8 = 32 - 36 %, у = 44 - 48 %,
КСи = 1400-1540 кДж / м2 порівняно з рівномірним (штампування в закритому штампі): 8 = 28 - 32 %, у = 40 - 45 %,
КСи = 750-850кДж/м2. Ударна в’язкість - важли-
кси.
кАж/м‘
700
500
300
№
1
У/ /
т 1
/ ^ / 1 1 ! 1 М
/ /У/А
/ ф
/ г \ \
4? ^2
0,2
ол
Рис. 4.
0.6
у™
віший показник при встановленні відповідності властивостей виробів умовам експлуатації. Вона визначається рівнем деформації зсуву (рис. 4, 5).
Враховуючи, що незалежно від схеми або ряду схем деформації при однакових Гі (уТІ) отримані ідентичні щільність, структура і рівень властивостей матеріалів, оптимальною деформацією, що визначає параметри побудови технологічної схеми виготовлення виробів з необхідними властивостями, прийнята Г^ (уТІ). Деформація Гі (уГ2 Гі (0)(тті ^ Ут2(х)) забезпечує от-
римання безпористого матеріалу з найкращим комплексом властивостей міцності і пластичності на рівні литого здеформованого металу і вище нього. Значення Т ті (х ) , які визначають вплив схеми деформації та виду матеріалу на величину деформації зсуву, наведено в таблиці 2.
Отже, в результаті проведених досліджень визначено оптимальні параметри термомеханічного режиму та умови гарячої деформації пористих заготовок з порошків титану, міді й алюмінію при різних схемах напружено-здеформованого стану.
Рис. 5.
Таблиця 2 - Величина деформації зсуву, що забезпечує максимальний рівень механічних властивостей порошкового металу
Схема деформації УТ2 (Х )
титан мідь алюміній
Штампування в закритому штампі 0,72 0,55 0,45
Штампування з елементами витікання 1,10 0,72 0,52
Видавлювання 1,80 1,10 0,80
