Розвиток теорії та технології гідропресування біметалевих складених пруткових заготовок з відносно тонкими та м'якими оболонками

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розвиток теорії та технології гідропресування біметалевих складених пруткових заготовок з відносно тонкими та м'якими оболонками

Спеціальність: 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

Давиденко Олександр Анатолійович

Донецьк - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України та Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Бейгельзимер Яків Юхимович, Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, професор кафедри "Обробка металів тиском".

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Сатонін Олександр Володимирович, Донбаська державна машинобудівна академія, м.Краматорськ, професор кафедри "Автоматизовані металургійні машини і обладнання";

кандидат технічних наук, професор Луценко Віктор Олександрович, Донбаський державний технічний університет, м. Алчевськ, завідувач кафедри "Обробка металів тиском і металознавство".

Провідна установа:

Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", кафедра "Обробка металів тиском" МОН України, м. Харків.

Захист відбудеться “14” квітня 2005 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I-й навчальний корпус, ВАЗ). З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 навчальний корпус).

Автореферат розіслано “10” березня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради,

доктор технічних наук, професор В.І. Алімов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Тенденції розвитку сучасної техніки виявляють необхідність більш широкого використання матеріалів зі спеціальними властивостями. Важливу роль серед таких матеріалів грають шаруваті металеві композиції - біметали. Біметали застосовуються в машино- і приладобудуванні, хімічній промисловості, енергетиці і радіоелектроніці, при виробництві інструментів і товарів культурно-побутового призначення.

Найбільш ефективними методами одержання композиційних виробів є методи обробки металів тиском (ОМТ), які дозволяють керувати процесом формування біметалевого з'єднання, додаючи йому необхідні властивості. Одним з таких методів є холодне гідропресування (ХГП). Завдяки використанню високих тисків робочого середовища і великих пластичних деформацій ХГП забезпечує гарне зчеплення між металевими матеріалами, і, разом з тим, дозволяє одержувати біметалеві заготовки з точними геометричними розмірами, високими вимогами до чистоти контактної поверхні, рівномірною деформацією шарів.

Однак, незважаючи на досягнуті успіхи в технологіях одержання металевих композитів методами ОМТ, у практиці розробки таких технологій істотна роль поки належить інтуїтивним експериментальним підходам, кількісні оцінки дуже обмежені. Строге використання наявних у даний час моделей обмежується практично одним видом шаруватих матеріалів - біметалевих прутків (БП) з міцним зв'язком (зі зварюванням) компонентів. Рішення, яке б дозволило описати процес гідропресування біметалевої складеної пруткової заготовки (БСПЗ) з урахуванням формування зв'язків між її компонентами в процесі формозміни, не існує. Це різко знижує ефективність використання ОМТ для керування показниками якості шаруватих композитів. Зазначена обставина обумовлена, насамперед, слабким розвитком теорії з'єднання різнорідних металів, їх спільної пластичної деформації, формування і зміни властивостей композицій при їхньому виготовленні, що пояснюється складністю процесів, які відбуваються в складових композита та на межі між ними.

Вищесказане робить актуальним проведення досліджень з вивчення пластичного плину шарів композита при гідропресуванні і впливу параметрів цього процесу на показники якості готового виробу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до держбюджетної тематики науково-дослідних робіт Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України: "Закономірності формування та еволюції наноструктурного стану твердих тіл", № держреєстрації 0100V003850; "Фізика нерівноважних станів наноструктурних матеріалів, отриманих при високих тисках", № держреєстрації 0103U005973; "Фізика нових станів конденсованих систем, сформованих в умовах високих тисків", № держреєстрації 0102U003201 (участь здобувача у всіх темах - у якості виконавця).

Мета і задачі дослідження. Розвинути теорію гідропресування біметалевих прутків з відносно тонкими та м'якими оболонками, яка б дозволила встановити режими стабільного спільного плину компонентів з урахуванням процесів формування зв'язків між ними в осередку деформації.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені і вирішені наступні основні задачі: біметалевий гідропресування міцність пруток

отримано співвідношення для розрахунку площі фактичного контакту між компонентами біметалевого прутка при гідропресуванні;

отримано співвідношення для прогнозування міцності з'єднання компонентів біметалевої складеної заготовки, що формується в процесі гідропресування;

отримано співвідношення для визначення міцності з'єднання складових біметалу, необхідної для їхнього пропорційного плину при гідропресуванні;

експериментально досліджено процес гідропресування біметалевих пруткових заготовок на лабораторній установці, а саме: вивчено стабільність процесу й особливості характеру пластичного плину в залежності від міцності зв'язку між складовими композита; досліджено міцність з'єднання компонентів у залежності від способу підготовки заготовки і параметрів процесу гідропресування; проведено перевірку адекватності отриманих теоретичних співвідношень;

розроблено методику призначення параметрів гідропресування біметалевої складеної заготовки.

Об'єкт дослідження: процес холодного гідропресування біметалевих складених пруткових заготовок.

Предмет дослідження: характер плину і міцність з'єднання складових при гідропресуванні біметалевих пруткових заготовок.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження характеру плину складових при гідропресуванні біметалів проведено з використанням методу верхньої оцінки. Експериментальні дослідження характеристик міжшарового контакту біметалевих прутків проводилися за допомогою металографічних та механічних методів. Характеристики тертя матеріалів, що деформуються, вивчалися за утворенням бочки в експериментах з осадження циліндричних зразків.

Наукова новизна отриманих результатів.

Вперше запропоновано критерій для визначення параметрів стабільного гідропресування компонентів біметалевих складених заготовок, особливістю якого є урахування формування зв'язків між складовими в осередку деформації.

Вперше отримано співвідношення для визначення міцності на зсув з'єднання компонентів біметалевих складених заготовок, що виникає в осередку деформації, яке враховує як механічне зачеплення мікронерівностей складових композита, так і утворення металевих зв'язків між ними.

Дістала подальший розвиток математична модель процесу гідропресування біметалевих прутків, яка відрізняється від вже відомих тим, що дозволяє розрахувати міцність з'єднання компонентів, необхідну для їхнього пропорційного плину.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено методику призначення раціональних параметрів процесу гідропресування пруткових біметалів різного складу і геометричної конфігурації. Розроблено методику контролю якості зчеплення складових біметалевої пруткової заготовки.

Підготовлено і впроваджено рекомендації з удосконалення технологічного процесу гідропресування біметалевої заготовки типу платиніт, які дозволяють одержувати готовий дротовий виріб з підвищеними показниками якості.

Розроблено нормативно-технічну документацію на одержання методом гідропресування біметалевих прутків Cu-Nb і біметалевого дроту Cu-FeNi (платиніт).

Отримано дослідні зразки біметалевих прутків Cu-Nb, біметалевого дроту Cu-FeNi (платиніт) із властивостями, що цілком відповідають вимогам галузевого стандарту. Зазначені вироби передані замовникам: Інституту фізики твердого тіла, матеріалознавства і технологій Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут" (м. Харків) та ТОВ "Галузевий центр впровадження" (м. Київ).

Донецьким фізико-технічним інститутом ім. О.О. Галкіна НАН України спільно з ТОВ "Галузевий центр впровадження" підписано протокол про наміри впровадження технології гідропресування платиніту. При цьому сторони вважають, що технологія отримання платиніту методом гідропресування має комерційний інтерес і може бути використана у промисловому виробництві з отриманням економічного ефекту. Також підтверджено, що в разі впровадження технології гідропресування платиніту Донецьким фізико-технічним інститутом ім. О.О. Галкіна НАН України спільно з ТОВ "Галузевий центр впровадження" дольова участь здобувача в розподілі економічного ефекту буде складати 5%.

Результати дослідження і рекомендації, що містяться в роботі, використані при розробці технології отримання одно- та багатокомпонентних наноматеріалів волокнистої будови у Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України при виконанні держбюджетних тем вказаних вище.

Впровадження результатів роботи підтверджено відповідними документами.

Особистий внесок здобувача. Основна частина досліджень, що увійшли в дисертаційну роботу, виконана разом зі співробітниками відділів “Технологічних досліджень процесів гідропресування” та “Фізики високих тисків і перспективних технологій” Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України. При цьому автору належать: аналітичні дослідження процесів одержання й обробки тиском біметалевих пруткових заготовок; розробка математичних моделей; ідеї, методики й аналіз результатів експериментальних досліджень; розробка методики призначення параметрів гідропресування біметалевих пруткових заготовок.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися:

на Всеукраїнській науково-технічній конференції "Перспективні технології й устаткування обробки тиском у машинобудуванні і металургії", м. Краматорськ, 18 - 20 квітня 2000 р.;

на VI Міжнародній конференції "Матеріалознавство і технології. Високі тиски - 2000", м. Слав'яногірськ, 15 - 19 вересня 2000 р.;

на I Науково-практичному семінарі "Метизна промисловість XXI століття. Проблеми і перспективи", м. Харцизьк, 18 - 21 вересня 2001 р.

на VII Міжнародній конференції "Високі тиски - 2002" Фундаментальні і прикладні аспекти, м. Донецьк, 14 - 18 жовтня 2002 р.;

на науковій конференції присвяченій 85-річчю Національної академії наук України, м. Донецьк, 16 - 19 грудня 2003 р.;

на Міжнародній науково-технічній конференції "Новые наукоемкие технологии, оборудование и оснастка для обработки материалов давлением", м. Краматорськ, 20 - 22 квітня 2004 р.;

на науково-технічних семінарах, проведених у Донецькому національному технічному університеті і Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України (1999 - 2004 р.).

Публікації. Основний зміст роботи опубліковано у 9 статтях, 8 із них - у фахових виданнях, які включено до переліку ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 200 найменувань, 2 додатків на 19 сторінках, містить 200 сторінок машинописного тексту, має 58 рисунків, 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, представлені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, визначено зв'язок роботи з науковою тематикою.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан теорії і практики обробки тиском біметалевих прутків (БП).

Існує багато способів одержання БП. Усі вони, маючи свої переваги та недоліки, знаходять власну досить вузьку область застосування, і жоден з них не може претендувати на універсальність, оскільки для кожного окремого виду композита потрібний особливий комплекс властивостей, забезпечити який може тільки конкретний метод.

Так, холодне гідропресування (рис. 1) є незамінним процесом, якщо стоїть задача одержати біметал з точними геометричними розмірами, високими вимогами до чистоти контактної поверхні, рівномірною деформацією шарів, а також при використанні у якості компонентів матеріалів з малою пластичністю.

Крім того, даний спосіб дозволяє одержувати готовий БП безпосередньо з біметалевої складеної пруткової заготовки (БСПЗ) без зв'язку компонентів, минаючи стадію одержання біметалевої пруткової заготовки (БПЗ) з міцним зв'язком складових.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологія виготовлення БП повинна забезпечувати міцний зв'язок між компонентами біметалу, достатній для його наступної обробки. Міцний зв'язок сприяє пропорційному плину компонентів та затримує їх руйнування. Пропорційний плин необхідний для бездефектного витікання біметалевого прутка в процесі гідропресування. Основним фактором, що обумовлює утворення міцного з'єднання металів у твердому стані, є пластична деформація обох металів композиції, яка забезпечує формування площі фактичного контакту (ПФК) складових і видалення з зони з'єднання оксидних плівок. Разом з тим, спільна пластична деформація різнорідних компонентів БП, внаслідок неправильно обраних параметрів процесу, може вести до його руйнування або появи інших дефектів під час плину. Характер пластичного плину шарів залежить від великого числа факторів (співвідношення механічних властивостей металів, що з'єднуються, ступеня деформації, умов тертя, геометрії матричної воронки, відносних розмірів складових та ін.). Достатньої кількості експериментальних даних, які дозволили б визначити функціональні залежності між ними, у даний час немає. Тому, для практичних розрахунків технологічних режимів процесу ХГП біметалів потрібні теоретичні залежності.

На підставі вищесказаного були поставлені задачі для дослідження.

У другому розділі представлені результати теоретичного дослідження параметрів пластичного плину шарів БСПЗ (стосовно до об'єктів з менш міцною, ніж осердя оболонкою).

Однією з найважливіших характеристик БП і БСПЗ є міцність з'єднання компонентів на зсув, що визначається як

, (1)

де m_l - коефіцієнт міцності з'єднання на зсув шарів біметалу; _s - границя плинності на зсув більш м'якого компонента біметалу (оболонки).

У даній залежності m_l може приймати значення від нуля до одиниці
(0  m_l  1): m_l = 0, коли зв'язок між оболонкою й осердям відсутній взагалі, m_l = 1, коли цей зв'язок ідеальний; усі проміжні значення цього параметра характеризують деякий зв'язок (міцність з'єднання) між складовими композита. Проведення кількісної оцінки параметра m_l можливо тільки на основі знань про фізичну природу і механізм утворення з'єднання металів у твердій фазі в процесі спільної пластичної деформації.

Нами розроблено математичну модель для прогнозу міцності з'єднання складових БСПЗ, що формується в процесі ХГП. Модель комплексно враховує як механічне зачеплення мікронерівностей складових композита, так і утворення металевих зв'язків між ними (схоплювання) і базується на наступному підході.

Схоплювання і зачеплення - це паралельні механізми утворення з'єднання металів композиції, кожний з яких за певних умов може відігравати чільну роль. У звичайних умовах холодного гідропресування БСПЗ одним з основних факторів, що перешкоджають схоплюванню металів, є наявність на їхніх поверхнях захисних оксидних плівок. Холодна пластична деформація мікровиступів у зоні контакту металів приводить до руйнування оксидних плівок і появи ювенільних поверхонь; однак, при невеликих швидкостях деформування активний вплив навколишнього газового середовища (вплив кисню) на ювенільну поверхню металу веде до постійної регенерації плівок. Так повторюється доти, поки надходження молекул кисню через існуючу систему мікроканалів цілком не припиняється, тобто поки не відбувається замикання цих каналів. Коли підведення газу до ювенільних поверхонь утруднюється, виникають вакуумні умови, що сприяють схоплюванню металів. Тобто, ПФК металів, що з'єднуються, у процесі свого росту досягає якоїсь певної величини, після чого вже неможлива регенерація оксидних плівок; подальший ріст ПФК приводить до появи ювенільних поверхонь, придатних для утворення металевих зв'язків.

Математичним вираженням такого підходу є наступна залежність для визначення міцності з'єднання на зсув компонентів БСПЗ, яка формується в процесі ХГП:

, (2)

де - відносна ПФК компонентів БСПЗ при ХГП; k_п - константа контактної поверхні (визначається експериментально); ^* - відносна ПФК, при якій виникають умови автовакууму.

Співвідношення для визначення відносної ПФК компонентів БСПЗ при ХГП має наступний вигляд:

, (3)

де q - середній контактний тиск в осередку деформації; _тк - напруження плину матеріалу мікровиступів м'якої складової; - коефіцієнт витяжки.

При його отриманні враховані такі фактори як геометричне збільшення контактної поверхні, зминання мікровиступів м'якої складової, вихід нового матеріалу на поверхню контакту, змінювання контактної поверхні заготовки.

Аналіз розроблених моделей показав, що для одержання міцного з'єднання при гідропресуванні біметалу необхідно збільшувати контактний тиск по осередку деформації, підвищувати пластичність м'якої та шорсткість твердої складових, сприяти створенню вакуумних умов на контактній поверхні металів, що з'єднуються.

При гідропресуванні біметалів недостатньо мати інформацію тільки про міцність, що формується в ході процесу, потрібно також знати, яка міцність з'єднання необхідна для пропорційного плину компонентів. У зв'язку з цим розроблена математична модель, яка дозволяє визначати параметри стабільного бездефектного протікання процесу гідропресування БСПЗ (у тому числі розраховувати необхідну міцність з'єднання складових). Задача вирішена методом верхньої оцінки.

У результаті одержали наступний критерій пропорційності плину компонентів при гідропресуванні БП:

, (4)

де _c, _s - напруження плину матеріалів осердя й оболонки, відповідно; - відносні радіуси поверхні розподілу між осердям і оболонкою (віднесені до вихідного зовнішнього радіуса оболонки) до і після деформування, відповідно.

У ході аналізу моделі показано, що для забезпечення стабільного бездефектного плину компонентів при гідропресуванні БСПЗ необхідно прагнути до збільшення коефіцієнта витяжки, зменшення кута матриці, зниження різниці у міцності компонентів, використання заготовок із осердями малих і великих відносних діаметрів.

Комплексне використання отриманих співвідношень дозволило описати процес гідропресування БСПЗ з урахуванням формування зв'язків між її компонентами при формозмінюванні та встановити раціональні параметри процесу.

Приклад такого комплексного використання моделей показаний на рис. 2, на якому в графічному виді представлені залежності міцності з'єднання на зсув компонентів БСПЗ від коефіцієнта витяжки при гідропресуванні композита Л63-Сталь45. У правому куті діаграми наведені параметри БСПЗ і кута матриці.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Крива 1 побудована за допомогою моделі (2) і показує, яка міцність з'єднання формується (виникає) в осередку деформації при гідропресуванні БСПЗ з відповідними коефіцієнтами витяжки. Крива 2 побудована за моделлю (4) і показує мінімально необхідну міцність з'єднання компонентів БПЗ, яка потрібна для пропорційного плину компонентів при гідропресуванні з зазначеними коефіцієнтами витяжки. З її аналізу випливає, що стабільне гідропресування вказаного композита можливо тільки починаючи з витяжки  = 1,2. При цьому БПЗ повинна бути у виді БП з ідеальним зв'язком компонентів (m_l=1), тобто коли міцність з'єднання компонентів БПЗ дорівнює границі плинності на зсув м'якої складової. Зі збільшенням коефіцієнта витяжки ( >1,2) необхідна міцність з'єднання зменшується, і з'являється можливість використання БСПЗ. По перетинанню кривих необхідної міцності, та тої, що формується, знаходиться мінімально необхідний коефіцієнт витяжки, при якому плин компонентів при гідропресуванні зазначеної БСПЗ буде пропорційним. У даному випадку витікання складових буде пропорційним при   1,7 і вище. Таким чином, перетинання кривих є графічним критерієм пропорційного плину компонентів в процесі гідропресування БСПЗ.

У третьому розділі описані методики проведення експериментів, використане устаткування і матеріали.

В експериментах вивчався вплив різних параметрів процесу гідропресування на характер плину металів композита, стабільність геометричних характеристик складових, міцність з'єднання компонентів; визначалися параметри моделі гідропресування біметалів, і перевірялася її адекватність.

Основна частина експериментів з гідропресування біметалевих заготовок здійснювалася на установці високого тиску вертикального типу, змонтованій на серійному гідравлічному пресі зусиллям 0,98 МН. З метою реалізації багатоперехідного гідропресування частина експериментів проводилася також і на іншому устаткуванні: установці вертикального типу, яка монтується на пресі зусиллям 9,8 МН, установці горизонтального типу, яка монтується на пресі зусиллям 2,5 МН.

Для гідропресування використовувались БСПЗ (без початкового зв'язку компонентів) і БП (з міцним з'єднанням шарів).

Взаємне переміщення компонентів і пропорційність їхнього плину при гідропресуванні контролювалося за вимірами випередження чи відставання переднього кінця оболонки, зміни геометричного співвідношення складових, а також за допомогою штифтів, попередньо встановлених у досліджувану заготовку.

Міцність з'єднання компонентів БП визначалася за результатами видавлювання осердя з біметалевого зразка на розривній машині 2167 Р-50 з електричним приводом.

При гідропресуванні БСПЗ звичайно відбувається взаємне переміщення її компонентів, при цьому на межі розподілу виникає міжшарове тертя, умови якого багато в чому і визначають міцність біметалевого з'єднання. Характеристики тертя матеріалів, що деформуються, вивчалися за утворенням бочки в експериментах з осадження циліндричних зразків. При цьому пару: зразок, що осаджується - інструмент, що осаджує, утворювали матеріали, які складають композиційну пару в БСПЗ.

Результати всіх експериментальних вимірів піддавалися статистичній обробці.

Четвертий розділ присвячений аналізу результатів експериментальних досліджень впливу параметрів процесу гідропресування БСПЗ на показники якості готових БП, а також визначенню параметрів моделі в експерименті і дослідженню її адекватності.

Отримані результати відносяться до випадку гідропресування БСПЗ і БП з тонкою і менш міцною, ніж осердя оболонкою.

Експериментальне дослідження характеру плину біметалів при їхньому гідропресуванні з різними параметрами виявило деякі закономірності формозміни, які пов'язані з міцністю з'єднання компонентів.

Дослідження геометричного співвідношення і взаємного переміщення шарів біметалевого прутка (дослідження випередження й утонення оболонки, експерименти зі штифтами) підтвердили отримані в другому розділі теоретичні висновки, що для забезпечення пропорційного витікання компонентів при гідропресуванні БСПЗ необхідно збільшувати разову витяжку і зменшувати різницю у властивостях міцності складових (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Було прийнято, що плин компонентів БСПЗ пропорційний, якщо величина випередження оболонки _с.з<0,5 мм. На рис. 3 ця величина відмічена горизонтальною пунктирною лінією. За точками перетинання кривих з цією пунктирною лінією можна визначити умовну мінімальну витяжку, при якій здійснюється пропорційний плин.

При пропорційному витіканні зберігається однакове співвідношення компонентів (стабільна товщина оболонки) по всій довжині прутка, а також відсутні такі дефекти як випередження чи сповзання оболонки.

Ефект непропорційності плину (випередження оболонки) спостерігався, в основному, тільки лише на передній ділянці заготовки, потім плин, як правило, стабілізувався, і компоненти витікали пропорційно. Такий ефект можна пояснити тим, що спочатку, внаслідок неправильно обраних параметрів процесу, починає більш інтенсивно витікати матеріал з переднього кінця оболонки (при цьому оболонка утонюється), а потім, у міру виходу прутка, за рахунок збільшення площі тертя компонентів виникає підпір, що призводить до стабілізації плину. Проте, усі БП, отримані з БСПЗ методом гідропресування, мали високі геометричні характеристики в поперечному перерізі в незалежності від його розташування уздовж прутка.

Експерименти, в яких здійснювалося повторне гідропресування БП, показали, що гідропресування БП із малими коефіцієнтами витяжки, на відміну від гідропресування БСПЗ із такими ж коефіцієнтами витяжки, не призвело до видимих ефектів непропорційного плину. Тобто, можна сказати, що міцність зчеплення компонентів, що сформувалася в процесі гідропресування БСПЗ і застабілізувала їхній плин, виявилася достатньою для того, щоб одержати пропорційний плин при гідропресуванні з малими коефіцієнтами витяжки отриманих БП.

За результатами проведених експериментів були визначені параметри розробленої в другому розділі моделі (2). Так, розрахувавши модельні умови, за якими здійснюється пропорційне витікання компонентів при гідропресуванні БСПЗ і, зіставивши їх з експериментальними даними, визначили характерну для даних умов величину відносної ПФК ^*, при досягненні якої не відбувається регенерації оксидних плівок.

Визначення значень константи поверхні k_п для конкретних пар матеріалів і контактних умов було проведено на підставі результатів експериментів з осадження циліндричних заготовок.

Перевірка адекватності розроблених моделей показала, що величина розрахованого коефіцієнту витяжки необхідного для пропорційного витікання компонентів біметалу відповідає своєму експериментальному значенню.

У цілому, проведені експерименти підтвердили зроблені теоретичні висновки, а також показали реальну можливість комплексного використання на практиці запропонованих теоретичних залежностей для призначення параметрів процесу гідропресування БСПЗ.

У п'ятому розділі розроблені рекомендації з удосконалення технологічного процесу гідропресування біметалевої заготовки типу платиніт і методика призначення параметрів процесу гідропресування біметалів.

В електротехніці й електроніці для виготовлення різних виробів застосовуються композиційні матеріали з унікальним комплексом механічних і фізичних властивостей. Один з таких матеріалів - платиніт, - біметалевий дріт з залізонікелевим осердям і мідною оболонкою; застосовується для герметичних вакуумних вводів через скляні оболонки освітлювальних і напівпровідникових приладів. У даному біметалі принципово важливо забезпечити сумісний зі склом радіальний коефіцієнт теплового розширення, який залежить не тільки від конструкції виробу і властивостей використаних матеріалів, а значною мірою від технології виготовлення. Основною проблемою одержання таких біметалевих дротових матеріалів є забезпечення якісного зв'язку між компонентами, жорстко регламентованого хімічного і фазового складу, точності і стабільності по довжині геометричних розмірів оболонки і рельєфу контактної поверхні. Відомі технології не вирішують зазначену проблему повною мірою.

У Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України запропонована до розробки нова, економічна й екологічно чиста експериментально-промислова технологія виробництва платиніту методом гідропресування. Деформація складених заготовок методами гідропресування забезпечує одержання біметалевого виробу з надійним зв'язком і строго регламентованим, стабільним співвідношенням складових частин, відсутністю різнотовщинності, однорідним проробленням матеріалів.

Одна з основних задач при розробці зазначеної технології - призначення параметрів процесу гідропресування, при яких забезпечується стабільне витікання і міцне з'єднання компонентів біметалу при вже наявних жорстких умовах на геометрію платиніту - вирішена шляхом комплексного використання моделей представлених у другому розділі дисертаційної роботи.

У результаті експериментальних досліджень по одержанню платиніту з застосуванням гідропресування і дослідженню впливу параметрів деформаційно-термічної обробки на його властивості отримані експериментальні зразки діаметром 0,5 мм і довжиною понад 50 м із властивостями, що цілком відповідають вимогам галузевого стандарту (табл. 1).

Таблиця 1 -

Основні характеристики платиніту

Характеристики	Одиниця виміру	Значення характеристик
		Зразків ДФТІ	згідно ОСТ  0077-84
Матеріал осердя		43Н	42Н чи 43Н
Матеріал оболонки		М0б ГОСТ 15040	М0б ГОСТ 15040
Діаметр	мм	0,50	0,20 0,80
Відхилення від діаметру	мм	0,005	0,015
Масова частка міді	%	27,7	21 30
Коефіцієнт різнотовщинності абсолютний (КРТА)	б/р	0,75	0,3 0,5
Границя міцності (в)	МПа	499	450 550
Відносне подовження ()	%	29,8	18,0
Коефіцієнт лінійного термічного розширення (КЛТР)	10-7, K-1	87,6	84,4 92,0

Гідропресування біметалевих заготовок здійснювалося на експериментальних установках високого тиску вертикального і горизонтального типів, змонтованих на пресах зусиллям 9,8 МН і 2,5 МН, відповідно. При цьому основні параметри процесу були наступними: у якості робочої рідини використовувалася олія індустріальна І-20; кут конуса матриці - 2=40, величина разових деформацій ~7583% (=46), тиск видавлювання p ~  12001400 МПа.

Отримані теоретичні співвідношення дозволили розробити методику призначення параметрів процесу гідропресування біметалів.

На основі результатів дисертаційної роботи розроблена нормативно-технічна документація на одержання методом гідропресування біметалевих прутків Cu-Nb, і біметалевого дроту Cu-FeNi (платиніт).

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішено важливу науково-технічну задачу зі встановлення параметрів стабільного протікання процесу гідропресування біметалевої складеної заготовки з урахуванням процесів формування зв'язків між її компонентами в процесі деформації.

Основні наукові та практичні висновки роботи полягають у наступному.

1. Вперше запропоновано критерій для визначення параметрів стабільного гідропресування компонентів біметалевих складених заготовок, особливістю якого є урахування формування зв'язків між складовими в осередку деформації.

2. Вперше розроблено математичну модель для визначення міцності на зсув з'єднання компонентів біметалевих складених заготовок, що виникає в осередку деформації, яка враховує як механічне зачеплення мікронерівностей складових композита, так і утворення металевих зв'язків між ними. У рамках розробленої моделі отримано співвідношення для визначення площі фактичного контакту компонентів біметалевого прутка в процесі його гідропресування, що враховує геометричне збільшення контактної поверхні, зминання мікровиступів м'якої складової, вихід нового матеріалу на поверхню контакту.

3. Дістала подальший розвиток математична модель процесу гідропресування біметалевих прутків, яка відрізняється від вже відомих тим, що дозволяє розрахувати міцність з'єднання компонентів, необхідну для їхнього пропорційного плину.

4. З аналізу отриманих у роботі співвідношень випливає:

- міцність біметалевого з'єднання залежить в основному від здатності компонентів утворювати спільну площу фактичного контакту;

- для збільшення міцності з'єднання компонентів при гідропресуванні біметалевих складених заготовок з відносно тонкими і м'якими оболонками в загальному випадку необхідно збільшувати відносний контактний тиск в осередку деформації, шорсткість твердої складової і створювати вакуумні умови на контактній поверхні;

- в загальному випадку, більш сприятливі умови для пропорційного плину компонентів при гідропресуванні біметалевих заготовок з м'якими оболонками виникають при збільшенні коефіцієнта витяжки, зменшенні кута матриці, зниженні різниці в міцності компонентів, використанні заготовок з осердями малих і великих відносних діаметрів.

- при кутах конуса матриці 2=40 (які найбільш часто застосовуються у практиці гідропресування) для забезпечення пропорційного плину гідропресування мідно-сталевих та алюмінієво-сталевих складених заготовок з тонкими оболонками необхідно проводити з коефіцієнтами витяжки  1,5 та  2,0, відповідно.

5. Запропонований у розділі 2.1 критерій вказує на те, що при кутах конуса матриці 2=40 (які найбільш часто застосовуються у практиці гідропресування) і коефіцієнтах витяжки  <1,25 процес гідропресування платинітових заготовок із пропорційним плином шарів неможливий.

6. Результати комплексного розрахунку, який враховує формування зв'язків між складовими біметалу, показали, що для забезпечення пропорційного плину при гідропресуванні платинітових складених заготовок через матриці з кутом конуса 2=40 необхідно використовувати коефіцієнти витяжки  >2.

7. Металографічні дослідження показали, що застосування гідропресування на початкових стадіях одержання платиніту забезпечує надійне зчеплення оболонки з осердям, правильну і стабільну геометрію біметалу, як у поперечному перерізі, так і по довжині. Величина коефіцієнта різнотовщинності змінюється в межах 0,900,75 (при потрібних 0,30,5).

8. У результаті проведення експериментів по одержанню платиніту з застосуванням методу гідропресування отримані дротові зразки платиніту діаметром 0,5 мм і довжиною понад 50 м із властивостями які цілком відповідають вимогам стандарту (ОСТ 110077-84) і розроблена нормативно-технічна документація на одержання платиніту методом гідропресування (технологічна інструкція 05420497-019.2003).

9. На основі результатів дисертаційної роботи розроблена методика розрахунку параметрів гідропресування біметалевих складених пруткових заготовок, яка може бути використана на практиці при призначенні параметрів гідропресування складених заготовок з тонкими і менш міцними, ніж осердя оболонками; найбільш точні оцінки можуть бути отримані для біметалів, компоненти яких зміцнюються з однаковою інтенсивністю.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

Давиденко А.А., Бейгельзимер Я.Е., Коваленко И.М., Белоусов Н.Н., Прудников А.М. Влияние параметров процесса гидропрессования биметаллических составных заготовок на показатели качества готовых прутков // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр. - Краматорськ, 2004.- С. 303-308.

Давиденко А.А., Бейгельзимер Я.Е. Анализ формирования связей в процессе контактного взаимодействия металлов при обработке давлением // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр.- Краматорськ, 2003.- С. 265-268.

Давиденко А.А., Бейгельзимер Я.Е., Дугадко А.Б. Расчет прочности соединения составляющих биметалла при гидропрессовании // Зб. наук. пр. Металургія / Донецьк: ДонНТУ, 2002.- С. 140-145.

Давиденко А.А., Бейгельзимер Я.Е. Устойчивость процесса гидропрессования биметаллической заготовки при установлении связи между ее компонентами // Физика и техника высоких давлений. -2001. -№4. - С. 101-113.

Давиденко А.А., Бейгельзимер Я.Е. Анализ образования связей между составляющими биметалла в процессе пластической деформации // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр.- Краматорськ, 2001.- С. 377-380.

Давиденко А.А., Орлов Д.В., Сарры Е.А., Бейгельзимер Я.Е. Прогноз прочности соединения составляющих при гидропрессовании биметаллов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії / Краматорськ-Слов'янськ, 2000.- С. 227-233.

Дугадко А.Б., Матросов Н.И., Шевченко Б.А., Сенникова Л.Ф., Бейгельзимер Я.Е., Давиденко А.А. Получение платинита методом гидропрессования // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. Зб. наук. пр.- Краматорськ, 2000.- С. 78-81.

Бейгельзімер Я.Ю., Давиденко О.А. Визначення площі фактичного контакту компонентів біметалу при гідропресуванні // Труды 5-й Международной научно-технической конференции "Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве". - Харьков, 2002.- С. 352-356.

Давиденко А.А., Бейгельзимер Я.Е. Прочность соединения составляющих биметаллических прутковых заготовок, предназначенных для дальнейшего волочения // Труды 1-го Научно-практического семинара “Метизная промышленность XXI века: проблемы и перспективы”.- Харцызск, 2001.- С. 50-53.

[1] - розроблені ідеї та методика експериментів, проведені експерименти, зроблено їх аналіз та зіставлення з результатами попередніх особистих теоретичних досліджень.

[2] - у рамках раніше розробленої здобувачем моделі виконаний аналіз впливу керуючих факторів на рівень граничного дотичного напруження при обробці металів тиском.

[3] - складена програма і визначено коефіцієнт витяжки, при якому починають формуватися металеві зв'язки між складовими композита.

[4] - розвинуто модель процесу гідропресування біметалевих прутків, що дозволяє розрахувати міцність з'єднання компонентів, необхідну для їхнього пропорційного плину. При цьому змодельовано поле швидкостей плину компонентів біметалу при гідропресуванні, отримано співвідношення для складових потужності процесу гідропресування, у рамках розробленої моделі проведено всебічний аналіз процесу гідропресування біметалів.

[5] - отримано співвідношення для визначення міцності на зсув з'єднання компонентів біметалевих складених заготовок, що виникає в осередку деформації, яке враховує як механічне зачеплення мікронерівностей складових композита, так і утворення металевих зв'язків між ними.

[6] - проведено аналіз літературних джерел, запропоновано критерій для визначення параметрів стабільного гідропресування компонентів біметалевих складених заготовок особливістю якого є урахування формування зв'язків між складовими в осередку деформації.

[7] - виконано аналіз сучасного стану застосування і виробництва платиніту і його конкурентів за даними науково-технічної літератури, підготовлені рекомендації з вибору режимів гідропресування і термообробки заготовок, проведені експерименти з гідропресування, виявлені найбільш імовірні причини браку продукції.

[8] - отримано загальне співвідношення для визначення відносної площі фактичного контакту та адаптовано його до процесу гідропресування біметалевого прутка.

[9] - проведено аналіз проблеми одержання й обробки тиском пруткових біметалевих заготовок.

АнотацІя

Давиденко О.А. Розвиток теорії та технології гідропресування біметалевих складених пруткових заготовок з відносно тонкими та м'якими оболонками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена вирішенню комплексної задачі встановлення параметрів стабільного протікання процесу гідропресування біметалевої заготовки з урахуванням формування зв'язків між її компонентами в процесі деформації.

У роботі теоретично показано й експериментально підтверджено, що при гідропресуванні складеної біметалевої заготовки з м'якою оболонкою для забезпечення стабільного і бездефектного її плину потрібно в загальному випадку прагнути до збільшення коефіцієнтів витяжки, зменшенню кутів матриці, зниженню різниці в міцності компонентів, використанню заготовок з осердями малих і великих відносних діаметрів. Для одержання міцного з'єднання при гідропресуванні біметалу необхідно збільшувати відносний контактний тиск, шорсткість твердої складової і створювати умови вакууму на контактній поверхні складових. Отримані в роботі співвідношення вперше дозволили теоретично встановити параметри стабільного протікання процесу гідропресування біметалевої заготовки з урахуванням формування зв'язків між її компонентами в процесі деформації. Проведені в роботі експерименти підтвердили правильність зроблених теоретичних висновків, а також показали реальну можливість комплексного використання на практиці запропонованих теоретичних залежностей для призначення параметрів процесу гідропресування біметалевих складених заготовок.

На основі результатів дисертаційної роботи розроблено нормативно-технічну документацію на одержання методом гідропресування біметалевих прутків Cu-Nb і біметалевого дроту Cu-FeNi (платиніту). Отримані теоретичні співвідношення дозволили розробити методику призначення параметрів процесу гідропресування біметалів.

Ключові слова: біметал, складена заготовка, гідропресування, міцність з'єднання компонентів, площа фактичного контакту, платиніт.

АнНотация

Давиденко А.А. Развитие теории и технологии гидропрессования биметаллических составных прутковых заготовок с относительно тонкими и мягкими оболочками. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением.- Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2005.

Тенденции развития современной техники выявляют необходимость все более широкого использования материалов со специальными свойствами. Важную роль среди таких материалов играют слоистые металлические композиции - биметаллы. Такие материалы могут быть изготовлены различными способами соединения разнородных металлов в монолитную композицию, сохраняющую надежную связь составляющих при дальнейшей технологической обработке и в условиях эксплуатации. Холодное гидропрессование является незаменимым процессом, если стоит задача получить биметалл с точными геометрическими размерами, высокими требованиями к чистоте контактной поверхности, равномерной деформацией слоев, а также при использовании в качестве компонентов материалов с малой пластичностью. Однако при гидропрессовании разнородных компонентов биметаллической составной заготовки, вследствие неправильно выбранных параметров процесса, возникают условия для их неравномерного истечения и разрушения. Существующие в настоящее время варианты аналитического решения задачи выбора параметров процесса обработки давлением слоистых композитов не учитывают фактора образования связей между составляющими биметалла в очаге деформации.

Диссертация посвящена решению комплексной задачи установления параметров стабильного протекания процесса гидропрессования биметаллической заготовки с учетом формирования связей между ее компонентами в процессе деформации.

В работе впервые предложен критерий для определения параметров стабильного гидропрессования биметаллических составных заготовок, особенностью которого является учет формирования связей между составляющими в очаге деформации. Впервые разработана математическая модель для определения прочности на сдвиг соединения компонентов биметаллических составных заготовок, возникающего в очаге деформации, которая учитывает как механическое зацепление микронеровностей составляющих композита, так и образование металлических связей между ними. В рамках разработанной модели получено соотношение для определения площади фактического контакта компонентов биметаллического прутка в процессе его гидропрессования, учитывающее геометрическое увеличение контактной поверхности, смятие микровыступов мягкой составляющей, выход нового материала на поверхность контакта. Получила дальнейшее развитие математическая модель процесса гидропрессования биметаллических прутков, которая отличается от известных тем, что она позволяет рассчитать прочность соединения компонентов, необходимую для их пропорционального течения.

В работе теоретически показано и экспериментально подтверждено, что при гидропрессовании составной биметаллической заготовки с мягкой оболочкой для обеспечения стабильного и бездефектного ее течения в общем случае нужно стремится к увеличению вытяжек, уменьшению углов матрицы, снижению разности прочностных свойств компонентов, использованию заготовок с сердечниками малых и больших относительных диаметров. Для получения прочного соединения при гидропрессовании биметалла необходимо увеличивать относительное контактное давление, шероховатость твердой составляющей и создавать условия вакуума на контактной поверхности составляющих. Полученные в работе соотношения впервые позволили теоретически установить параметры стабильного протекания процесса гидропрессования биметаллической заготовки с учетом формирования связей между ее компонентами в процессе деформации. Проведенные в работе эксперименты подтвердили правильность сделанных теоретических выводов, а также показали реальную возможность комплексного использования на практике предложенных теоретических зависимостей для назначения параметров процесса гидропрессования биметаллических составных заготовок.

На основе результатов диссертационной работы разработана методика назначения параметров процесса гидропрессования прутковых биметаллов различного состава и геометрической конфигурации. Разработана методика контроля качества сцепления составляющих биметаллической прутковой заготовки. Подготовлены и внедрены рекомендации по получению методом гидропрессования биметаллических заготовок типа платинит, позволяющие получать готовое проволочное изделие с повышенными показателями качества. Разработана нормативно-техническая документация на получение методом гидропрессования биметаллических прутков Cu-Nb и биметаллической проволоки Cu-FeNi (платинит). Получены опытные образцы биметаллических прутков Cu-Nb, биметаллической проволоки Cu-FeNi (платинит) со свойствами, полностью соответствующими требованиям отраслевого стандарта. Указанная продукция передана заказчикам: Институту физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра "Харьковский физико-технический институт" (г. Харьков) и ООО "Отраслевой центр внедрения" (г. Киев).

Результаты исследований и рекомендации, содержащиеся в работе, использованы при разработке технологии получения одно- и многокомпонентных наноматериалов волокнистого строения в Донецком физико-техническом институте им. А.А. Галкина НАН Украины при выполнении госбюджетных тем.

Ключевые слова: биметалл, составная заготовка, гидропрессование, прочность соединения компонентов, площадь фактического контакта, платинит.

abstract

Davydenko O.A. Development of the theory and technology of hydroextrusion the compound bimetallic rod billets with relatively thin and soft sheath.- A manuscript.

Dissertation for a Candidate's degree in Engineering, speciality 05.03.05 - Processes and machines of processing by pressure.-Donetsk National Technical University, Donetsk, 2005.

The dissertation work is devoted to the solution of a complex problem of determining the parameters of steady course of the process of hydroextrusion a bimetallic billet with the intercomponent couplings formed during the deformation taken into account.

It is theoretically shown and experimentally verified that during the hydroextrusion of a compound bimetallic billet having a soft sheath, to ensure a stable and defect-free flow of the billet, it is necessary to enhance drawing, to decrease die angle, to lower the difference in the strength properties of the components, to use billets with cores of small and large relative diameters. For having a durable connection under bimetal hydroextrusion it is necessary to increase the relative contact pressure, roughness of hard component and to create conditions of vacuum at the contact surface of components. Due to the resulted relations it has for the first time become possible to theoretically determine the parameters of steady course of the process of hydroextrusion a bimetallic billet with the intercomponent couplings formed during the deformation taken into consideration. The experiments have shown theoretical conclusions to be correct. Also, it has been shown that it is really possible to use in practice the proposed theoretical relations for the assignment of parameters of hydroextrusion process for the case of compound bimetallic billets.

The dissertation work results were taken as a basis for the development of standards and technical documents for production of Cu-Fe bimetallic rods and Cu-FeNi bimetallic wire (dumet) by the method of hydroextrusion. The obtained theoretical relations were used to develop a procedure for the assigning of parameters of the hydroextrusion process.

Keywords: bimetal, compound billet, hydroextrusion, strength of components connection, area of real contact, dumet.

Размещено на Allbest.ru

...