К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов
Приведены результаты исследований и анализа наиболее перспективных схем равноканального углового прессования (РКУП) металлических материалов. Показаны перспектива и пути реализации эффективных промышленных процессов получения объемных ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов с высоким уровнем техническ...
Gespeichert in:
| Datum: | 2004 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2004
|
| Schriftenreihe: | Физика и техника высоких давлений |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168103 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов / Г.И. Рааб // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 4. — С. 83-89. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-168103 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1681032020-12-08T15:17:25Z К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов Рааб, Г.И. Приведены результаты исследований и анализа наиболее перспективных схем равноканального углового прессования (РКУП) металлических материалов. Показаны перспектива и пути реализации эффективных промышленных процессов получения объемных ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов с высоким уровнем технических и технологических свойств. Results of investigation and analysis of the most prospective scheme of the equal-channel angular pressing (ECAP) of metallic materials are given. Prospects and ways of implementation of effective industrial processes of producing the bulk ultrafine-grained (UFG) materials with a high level of technical and technological properties are shown. 2004 Article К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов / Г.И. Рааб // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 4. — С. 83-89. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.−z http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168103 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Приведены результаты исследований и анализа наиболее перспективных схем равноканального углового прессования (РКУП) металлических материалов. Показаны перспектива и пути реализации эффективных промышленных процессов получения объемных ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов с высоким уровнем технических и технологических свойств. |
| format |
Article |
| author |
Рааб, Г.И. |
| spellingShingle |
Рааб, Г.И. К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов Физика и техника высоких давлений |
| author_facet |
Рааб, Г.И. |
| author_sort |
Рааб, Г.И. |
| title |
К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов |
| title_short |
К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов |
| title_full |
К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов |
| title_fullStr |
К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов |
| title_full_unstemmed |
К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов |
| title_sort |
к вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| publishDate |
2004 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168103 |
| citation_txt |
К вопросу промышленного получения объемных ультрамелкозернистых материалов / Г.И. Рааб // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 4. — С. 83-89. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Физика и техника высоких давлений |
| work_keys_str_mv |
AT raabgi kvoprosupromyšlennogopolučeniâobʺemnyhulʹtramelkozernistyhmaterialov |
| first_indexed |
2025-07-15T02:30:20Z |
| last_indexed |
2025-07-15T02:30:20Z |
| _version_ |
1837678339625582592 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
83
PACS: 81.40.−z
Г.И. Рааб
К ВОПРОСУ ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ
УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Институт физики перспективных материалов,
Уфимский государственный авиационный технический университет
ул. К. Маркса, 12, г. Уфа, 450000, Россия
E-mail: raab@mail.rb.ru
Приведены результаты исследований и анализа наиболее перспективных схем рав-
ноканального углового прессования (РКУП) металлических материалов. Показаны
перспектива и пути реализации эффективных промышленных процессов получения
объемных ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов с высоким уровнем техниче-
ских и технологических свойств.
Введение
Интенсивное развитие научных исследований в области объемных УМЗ-
материалов и получение на этой основе качественно новых свойств в широкой
гамме наиболее распространенных цветных и черных металлов и сплавов [1,2]
открывает большую перспективу их применения. В этой связи некоторые отрас-
ли, например аэрокосмическая и медицина, проявляют значительный интерес к
реальным объектам из УМЗ-материалов. В то же время известно, что приклад-
ные поисковые работы требуют на порядок большего объема финансовых вло-
жений, и поэтому фокус этих исследований должен быть сконцентрирован на
наиболее перспективных процессах, отвечающих требованиям как массового,
так и мелкосерийного производства УМЗ-материалов. Учитывая, что их получе-
ние предполагает, как правило, передел (например, сортового проката с разме-
ром зерен 10−100 µm), можно сделать заключение, что основным и определяю-
щим фактором промышленного производства объемных УМЗ-материалов будет
соответствие себестоимости передела и новых потребительских свойств изделий
или полуфабрикатов. Наиболее важными из потребительских свойств металли-
ческих материалов следует считать номенклатуру материалов, выпускаемый
сортамент, уровень и стабильность механических характеристик.
Большинство материалов в УМЗ-состоянии отличаются значительным (до
3 раз) повышением их прочностных характеристик при удовлетворительной
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
84
пластичности [1]. Анализируя с этой точки зрения потребности объемных
УМЗ-материалов, можно выделить несколько направлений. Это в первую
очередь длинномерные прутковые и листовые материалы, а также штучные
(дискретные) заготовки. Представляет интерес получение объемных УМЗ-
заготовок в виде дисков или передел слитков с крупнозернистой крайне не-
однородной литой структурой. Учитывая широту проводимых исследований
в данных направлениях и сложность учета всех факторов, представленная
работа ограничивается анализом высокоэффективных процессов получения
объемных прутковых УМЗ-материалов, как дискретных, так и длинномер-
ных, способом РКУП. Следует отметить, что этот способ уже в течение 10
лет развивается и исследуется нами с целью формирования УМЗ-структур в
металлах и сплавах [1−4].
Какие же проблемы должны быть решены при производстве объемных УМЗ-
материалов? В первую очередь процесс должен обеспечивать высокий коэффи-
циент использования металла (КИМ). Известно, что при РКУП по общепринятой
схеме во взаимно пересекающихся каналах преимущественно под углом 90°
концевые участки заготовок искажаются и фактически подлежат удалению. При
этом КИМ при получении штучных заготовок с отношением длины к диаметру
5−7, как правило, не превышает 0.6−0.7. Поэтому процессы получения длинно-
мерных заготовок более предпочтительны, так как позволяют значительно сни-
зить влияние законцовок на КИМ и довести его до значений, близких к единице.
Другой важной задачей при получении УМЗ-материалов является создание вы-
сокопроизводительных технологий (например, близких по производительности к
прокатке для длинномерных изделий или к высокоскоростной высадке для
штучных заготовок). Для реализации этих задач необходимо выполнить боль-
шой объем мероприятий как организационного, так и научно-технического ха-
рактера. Решению наиболее важных проблем при получении объемных УМЗ-
материалов посвящена представленная работа.
Научно-технические подходы
к получению объемных УМЗ-материалов
Получение штучных УМЗ-заготовок. Как было отмечено, при получе-
нии штучных УМЗ-заготовок важной является необходимость повышения
КИМ, поскольку потери металла могут существенно снизить эффективность
производства. Эту задачу для способа РКУП можно решить, если использо-
вать схему деформирования, представленную на рис. 1,а [5]. Варьируя па-
раметрами K и углом пересечения каналов Φ, можно активно влиять на на-
пряженно-деформированное состояние заготовок и соответственно эффек-
тивность формирования УМЗ-структуры. Но самое важное, что следует от-
метить, данная схема позволяет за один цикл воздействия провести два акта
деформирования и значительно уменьшить искажение концевых частей за-
готовки (рис. 2). Это не только приводит к резкому повышению КИМ до
значений 0.9 и снижению в два раза количества циклов прессования, но и
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
85
а б
Рис. 1. Схема РКУП−ПК (где N − направление сдвига, K − параметр смещения
каналов, Φ − угол пересечения вертикальных и соединяющего их каналов) (а)
и вид сетки с исходной прямоугольной формой ячеек после одного цикла
прессования (б)
Рис. 2. Общий вид медных заготовок после РКУП: а − по общепринятой схеме
с углом пересечения каналов 90°, б − в параллельных каналах с углом их пере-
сечения 100°
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
86
позволяет получать УМЗ-заготовки с малым отношением длины к диаметру.
Следует учитывать, что силы деформирования РКУП в параллельных каналах
(РКУП−ПК) значительно выше получаемых при прессовании по традиционной
схеме с двумя пересекающимися каналами, и наиболее вероятное соотношение
длины заготовок к их диаметру не будет более шести. Анализ деформирован-
ного состояния методом сеток позволяет судить о довольно высокой его одно-
родности после одного цикла прессования (см. рис. 1,б), и даже заготовка с от-
ношением длины к диаметру около двух после четырех циклов прессования
имеет однородную УМЗ-структуру (рис. 3,б). Полученное однородное поле
микротвердости в продольном и поперечном сечениях (НВ = 1530 ± 20 МРа)
также свидетельствует об однородности структуры и механических свойств в
объеме заготовки. Прочность медной заготовки после проведенной обработки
возросла со 150 до 420 МРа при пластичности δ = 15−18%, что сопоставимо со
значениями, полученными после 8−12 циклов РКУП меди по общепринятой
схеме с углом пересечения каналов 90°. В качестве положительного фактора
также следует отметить, что после деформации РКУП−ПК заготовка сохраняет
свое исходное вертикальное положение. Это весьма удобно при автоматизации
процесса, например, на высокопроизводительных роторных линиях. Оценивая
в комплексе преимущества представленной схемы, следует ожидать высокой
эффективности процессов, которые на ней базируются.
Получение длинномерных УМЗ-заготовок. Наиболее реальная схема
РКУП для получения длинномерных заготовок была предложена В.М. Сега-
лом [6]. В ее основе лежит «конформ»-процесс, который был развит в ряде
его модификаций применительно к изготовлению алюминиевых лент [7].
Следует напомнить, что получение длинномерных заготовок в УМЗ-
состоянии является более эффективным как при производстве, так и при по-
следующей переработке. Во-первых, КИМ процесса можно довести до зна-
чений, близких к единице, поскольку доля дефектных концевых частей в
длинномерной заготовке составляет доли одного процента. Во-вторых,
РКУП-«конформ» легко встроить в существующие высокопроизводитель-
ные процессы, так как он позволяет обеспечить высокие скорости обработ-
ки, сопоставимые, например, с прокаткой. Длинномерные изделия наиболее
а б
Рис. 3. Общий вид (а) и макроструктура (темплет) (б) заготовки после четырех
циклов РКУП−ПК с соотношением длины к диаметру, равным 2
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
87
а б
в
технологичны и при последующем переделе как способами ОМД, так и лез-
вийной обработкой, например, на высадочных или токарных автоматах.
Исследования способа РКУП-«конформ» (рис. 4), проведенные нами на
чистом алюминии при комнатной температуре, показывают высокую эффек-
тивность такого процесса [8,9]. После четырех циклов обработки в материа-
ле была сформирована достаточно однородная УМЗ-структура с размером
зерен менее одного микрона (рис. 5) и получены высокопрочные образцы
прямоугольного сечения 2.4×2.6 mm длиной около 300 mm. Однако следует
учитывать, что для реализации способа необходимо создание специального
оборудования, более наукоемкого и дорогостоящего по сравнению с оснасткой
для реализации процесса РКУП−ПК. К тому же способ позволяет получать
длинномерные изделия только прямоугольного поперечного сечения, а для
нужд производства требуется, как правило, круг как наиболее технологичный
при последующей обработке. Передел в круг также потребует некоторых затрат.
Рис. 5. Рентгеноскопический снимок УМЗ-образца диаметром 11 mm из сплава
ВТ1-0, полученного РКУП (e = 9) и последующей экструзией (e = 1.2)
Рис. 4. Схема РКУП-«конформ» (а),
длинномерная заготовка из алюминия на
стадии проведения процесса (б) и полу-
ченная микроструктура (ПЭМ) после
четырех циклов обработки (в)
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
88
Суммируя полученные результаты и тенденции развития способа РКУП-
«конформ», отметим, что он требует создания наукоемкого оборудования и
соответственно наиболее эффективен для серийного, или массового, произ-
водства. Высокая рентабельность и окупаемость такого процесса наиболее
вероятна в этих условиях.
Технологичность УМЗ-материалов. Большой интерес вызывает воз-
можность последующей обработки полученных (в том числе и способом
РКУП) УМЗ-материалов. С этой целью на примере титанового сплава ВТ1-0
в УМЗ-состоянии, полученного РКУП со степенью накопленной деформа-
ции е = 9, проведены исследования его деформируемости. При комнатной
температуре по методике, представленной в [10], была построена диаграмма
пластичности, которая легла в основу изучения деформируемости сплава
методом экструзии. В результате исследований было показано, что УМЗ-
материал в процессе деформирования продолжает упрочняться. При этом
деформация со степенью 75% (е = 1.2) приводит к повышению прочности с
750 до 1050 МРа с уровнем пластичности δ = 10% [11]. После такой обра-
ботки заготовки не имели внутренних дефектов, о чем свидетельствуют
данные рентген-контроля (рис. 5). Аналогичные исследования проведены по
экструзии УМЗ-титанового сплава ВТ6. Экструзия УМЗ-состояния при ком-
натной температуре со степенью около 60% (е = 0.8) позволила повысить
прочность с 1100 до 1490 МРа с уровнем пластичности δ = 8% [12]. Полу-
ченные результаты свидетельствуют о довольно высокой деформируемости
УМЗ-материалов, и это обстоятельство, вероятно, в большинстве случаев
позволит проводить передел исходных УМЗ-заготовок для получения тре-
буемого сортамента со значительно повышенными механическими свойст-
вами. К тому же, если при переделе УМЗ-материалов использовать высоко-
производительные процессы, такие как прокатка, волочение, высокоскоро-
стная экструзия, то это не окажет существенного влияния на повышение се-
бестоимости готовой продукции.
Выводы
Проведенные исследования и анализ полученных результатов показыва-
ют, что представленные способы РКУП могут обеспечить качественно но-
вые высокопрочные состояния серийных металлов и сплавов. При этом воз-
можно создание высокоэффективных комплексных технологий получения
объемных высокопрочных УМЗ-материалов необходимого сортамента и но-
менклатуры.
1. Р.З. Валиев, И.В. Александров, Y.T. Zhu, T.C. Lowe, JMR 17, 5 (2002).
2. Р.З. Валиев, И.В. Александров, Наноструктурные материалы, полученные ин-
тенсивной пластической деформацией, Логос, Москва (2000).
3. И.В. Александров, Г.И. Рааб, Р.З. Валиев, Л.О. Шестакова, Р.Дж. Даудинг,
Вольфрам, тяжелые металлы и тугоплавкие сплавы № 5, 27 (2000).
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
89
4. Г.И. Рааб, Е.П. Сошникова, Р.З. Валиев, Материалы конференции NANO SPD2,
9−13 дек., 2002, Вена, Австрия, с. 471−476.
5. Г.И. Рааб, Р.З. Валиев, Г.В. Кулясов, В.А. Полозовский, Патент РФ № 2181314,
Бюл. № 16 (2002).
6. В.М. Сегал, В.И. Резников, В.И. Копылов, Д.А. Павлик, В.Ф. Малышев, Процессы
пластического структурообразования металлов, Наука и техника, Минск (1994).
7. N. Tsuji, Y. Saito, S.-H. Lee, Y. Minamino, Материалы конференции NANO SPD2,
9−13 дек., 2002, Вена, Австрия, с. 479−490.
8. Г.И. Рааб, Р.З. Валиев, Цветная металлургия № 5, 50 (2000).
9. G.I. Raab, R.Z. Valiev, T.C. Lowe, Y.T. Zhu, Mater. Sci. Eng. A382, 30 (2004).
10. Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмогоров и др., Теория пластических дефор-
маций металлов, Е.П. Унксов, А.Г. Овчинников (ред.), Машиностроение, Моск-
ва (1983).
11. Г.И. Рааб, В.Ю. Шолом, А.Н. Абрамов, Р.З. Валиев, КШП № 5, 20 (1999).
12. I.P. Semenova, Y.T. Zhu, G.I. Raab, T.C. Lowe, R.Z. Valiev, Ultrafine Grained Mate-
rials III, TMS (The Minerals, Metals and Materials Society) (2004), p. 463−468.
G.I. Raab
ON THE PROBLEM OF INDUSTRIAL PRODUCTION
OF BULK ULTRAFINE-GRAINED MATERIALS
Results of investigation and analysis of the most prospective scheme of the equal-channel
angular pressing (ECAP) of metallic materials are given. Prospects and ways of imple-
mentation of effective industrial processes of producing the bulk ultrafine-grained (UFG)
materials with a high level of technical and technological properties are shown.
Fig. 1. Scheme of the equal-channel angular pressing in parallel channels (PC−ECAP)
(where N − direction of shear, K − parameter of channel shift, Φ − angle of vertical and
connecting channels intersection) (а) and the view of net with the initial rectangular shape
of cells past one cycle of pressing (б)
Fig. 2. General view of copper billets past ECAP: а − by conventional scheme with a 90°
angle of channels intersection, б − in parallel channels with the intersection angle of 100°
Fig. 3. General view (а) and microstructure (template) (б) of billet past four PC−ECAP
cycles, the length-to-diameter ratio makes 2
Fig. 4. Scheme ECAP-«conform» (а), long aluminium billet at the stage of process reali-
zation (б), and microstructure (TEM) resulted from four cycles of processing (в)
Fig. 5. X-ray radioscopy photograph of UFG specimen, 11 mm in diameter, from alloy
ВТ1-0 produced by the ECAP (e = 9) followed by extrusion (e = 1.2)
|