Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии
В результате комплексных фундаментальных и прикладных исследований процессов гидроэкструзии выявлены новые возможности создания металлических наноматериалов с уникальными физическими и механическими свойствами. Представлены результаты исследований новых процессов интенсивной пластической деформации...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2014
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107325 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии / В.З. Спусканюк // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — Т. 24, № 2. — С. 106-119. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107325 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Спусканюк, В.З. 2016-10-18T12:18:07Z 2016-10-18T12:18:07Z 2014 Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии / В.З. Спусканюк // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — Т. 24, № 2. — С. 106-119. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.Ef, 81.40.–z, 81.40.Vw https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107325 В результате комплексных фундаментальных и прикладных исследований процессов гидроэкструзии выявлены новые возможности создания металлических наноматериалов с уникальными физическими и механическими свойствами. Представлены результаты исследований новых процессов интенсивной пластической деформации (ИПД) – равноканальной угловой гидроэкструзии (РКУГ), равноканальной многоугловой экструзии и гидроэкструзии (РКМУЭ, РКМУГ). Рассмотрены эффекты в формировании структур и свойств меди, медных и алюминиевых сплавов, титана. Кратко описаны технологические приемы и устройства, обеспечивающие высокоэффективное производство объемных заготовок, в частности многометровой длины, из субмикро- и нанокристаллических материалов. У результаті комплексних фундаментальних і прикладних досліджень процесів гідроекструзії виявлено нові можливості створення металевих наноматеріалів з унікальними фізичними та механічними властивостями. Наведено результати досліджень нових процесів інтенсивної пластичної деформації (IПД) – рівноканальної кутової гідроекструзії (РККГ), рівноканальної багатокутової екструзії та гідроекструзії (РКБКЕ, РКБКГ). Розглянуто ефекти у формуванні структур і властивостей міді, мідних та алюмінієвих сплавів, титана. Коротко описано технологічні заходи та пристрої, які забезпечують високоефективне виробництво об’ємних заготовок, зокрема багатометрової довжини, з субмікро- та нанокристалічних матеріалів. New possibilities of the creation of metal nanomaterials with unique physical and mechanical properties were discovered as results of integrated fundamental and applied studies of hydroextrusion. The results of the study of new severe plastic deformation (SPD) processes, i.e. equal-channel angular hydroextrusion (ECAH), equal-channel multipleangular extrusion and hydroextrusion (ECMAE, ECMAH) were presented. The effects in the course of formation of the structure and the properties of Cu and Cu alloys, Al alloys, Ti have been considered. Techniques and facilities for high-production of bulk materials with submicrocrystalline and nanocrystalline grain structure, in particular of multiple-meter long billets, are briefly described. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии New achievements of development of hydroextrusion theory and methods Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии |
| spellingShingle |
Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии Спусканюк, В.З. |
| title_short |
Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии |
| title_full |
Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии |
| title_fullStr |
Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии |
| title_full_unstemmed |
Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии |
| title_sort |
новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии |
| author |
Спусканюк, В.З. |
| author_facet |
Спусканюк, В.З. |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
New achievements of development of hydroextrusion theory and methods |
| description |
В результате комплексных фундаментальных и прикладных исследований процессов гидроэкструзии выявлены новые возможности создания металлических наноматериалов с уникальными физическими и механическими свойствами. Представлены результаты исследований новых процессов интенсивной пластической деформации (ИПД) – равноканальной угловой гидроэкструзии (РКУГ), равноканальной многоугловой экструзии и гидроэкструзии (РКМУЭ, РКМУГ). Рассмотрены эффекты в формировании структур и свойств меди, медных и алюминиевых сплавов, титана. Кратко описаны технологические приемы и устройства, обеспечивающие высокоэффективное производство объемных заготовок, в частности многометровой длины, из субмикро- и нанокристаллических материалов.
У результаті комплексних фундаментальних і прикладних досліджень процесів гідроекструзії виявлено нові можливості створення металевих наноматеріалів з унікальними фізичними та механічними властивостями. Наведено результати досліджень нових процесів інтенсивної пластичної деформації (IПД) – рівноканальної кутової гідроекструзії (РККГ), рівноканальної багатокутової екструзії та гідроекструзії (РКБКЕ, РКБКГ). Розглянуто ефекти у формуванні структур і властивостей міді, мідних та алюмінієвих сплавів, титана. Коротко описано технологічні заходи та пристрої, які забезпечують високоефективне виробництво об’ємних заготовок, зокрема багатометрової довжини, з субмікро- та нанокристалічних матеріалів.
New possibilities of the creation of metal nanomaterials with unique physical and mechanical properties were discovered as results of integrated fundamental and applied studies of hydroextrusion. The results of the study of new severe plastic deformation (SPD) processes, i.e. equal-channel angular hydroextrusion (ECAH), equal-channel multipleangular extrusion and hydroextrusion (ECMAE, ECMAH) were presented. The effects in the course of formation of the structure and the properties of Cu and Cu alloys, Al alloys, Ti have been considered. Techniques and facilities for high-production of bulk materials with submicrocrystalline and nanocrystalline grain structure, in particular of multiple-meter long billets, are briefly described.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107325 |
| citation_txt |
Новые достижения в развитии теории и методов гидроэкструзии / В.З. Спусканюк // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — Т. 24, № 2. — С. 106-119. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT spuskanûkvz novyedostiženiâvrazvitiiteoriiimetodovgidroékstruzii AT spuskanûkvz newachievementsofdevelopmentofhydroextrusiontheoryandmethods |
| first_indexed |
2025-11-25T12:10:07Z |
| last_indexed |
2025-11-25T12:10:07Z |
| _version_ |
1850514438417809408 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
© В.З. Спусканюк, 2014
PACS: 81.40.Ef, 81.40.–z, 81.40.Vw
В.З. Спусканюк
НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В РАЗВИТИИ ТЕОРИИ И МЕТОДОВ
ГИДРОЭКСТРУЗИИ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
Статья поступила в редакцию 25 ноября 2013 года
В результате комплексных фундаментальных и прикладных исследований процес-
сов гидроэкструзии выявлены новые возможности создания металлических нано-
материалов с уникальными физическими и механическими свойствами. Представ-
лены результаты исследований новых процессов интенсивной пластической де-
формации (ИПД) – равноканальной угловой гидроэкструзии (РКУГ), равноканаль-
ной многоугловой экструзии и гидроэкструзии (РКМУЭ, РКМУГ). Рассмотрены
эффекты в формировании структур и свойств меди, медных и алюминиевых спла-
вов, титана. Кратко описаны технологические приемы и устройства, обеспечи-
вающие высокоэффективное производство объемных заготовок, в частности мно-
гометровой длины, из субмикро- и нанокристаллических материалов.
Ключевые слова: гидроэкструзия, метод, устройство, интенсивная пластическая
деформация, субмикрокристаллические и нанокристаллические материалы
У результаті комплексних фундаментальних і прикладних досліджень процесів
гідроекструзії виявлено нові можливості створення металевих наноматеріалів з
унікальними фізичними та механічними властивостями. Наведено результати до-
сліджень нових процесів інтенсивної пластичної деформації (IПД) – рівноканальної
кутової гідроекструзії (РККГ), рівноканальної багатокутової екструзії та гідро-
екструзії (РКБКЕ, РКБКГ). Розглянуто ефекти у формуванні структур і власти-
востей міді, мідних та алюмінієвих сплавів, титана. Коротко описано технологічні
заходи та пристрої, які забезпечують високоефективне виробництво об’ємних за-
готовок, зокрема багатометрової довжини, з субмікро- та нанокристалічних ма-
теріалів.
Ключові слова: гідроекструзія, метод, пристрій, інтенсивна пластична деформація,
субмікрокристалічні та нанокристалічні матеріали
Введение
Развитие физики высоких давлений, физики прочности и пластичности
твердых тел, теории и перспективных методов гидроэкструзии являлось од-
ним из основных направлений научной деятельности Донецкого физико-
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
107
технического института (ДонФТИ) под руководством академика АН УССР
А.А. Галкина. Можно вспомнить выполненные с непосредственным участи-
ем А.А. Галкина работы, посвященные разработке дислокационной теории
гидроэкструзии, изучению поведения дислокаций в гидростатически сжатых
кристаллах, переходу твердых тел из хрупкого в пластичное состояние, соз-
данию технологий получения с использованием гидроэкструзии сверхпро-
водящего многожильного (в десятки миллионов жил) провода, производства
металлорежущих и штамповых инструментов повышенного качества. Рабо-
ты А.А. Галкина с соавторами, вошедшие в цикл «Разработка и исследова-
ние сверхпроводников с высокими критическими параметрами», в 1982 г.
удостоены Государственной премии УССР.
В 80–90-е гг. теоретические и экспериментальные исследования про-
цессов гидроэкструзии успешно развивались в подразделенииях, руково-
димых чл.-кор. АН УССР, д.т.н. Б.И. Бересневым, д.т.н. В.П. Буряком,
д.т.н. А.П. Гетманским, д.ф-м.н. В.И. Зайцевым, д.т.н. В.З. Спусканюком,
д.т.н. Ю.Ф. Черным. Создан ряд моделей процесса гидроэкструзии, получе-
ны приближенные аналитические решения задач о динамике процесса, оп-
ределении границ очага пластической деформации, распределении скоро-
стей течения, параметров напряженно-деформированного состояния металла
в конической матрице конечных размеров. Созданы научные основы неста-
ционарной холодной гидроэкструзии, разработаны эффективные методы
гидроэкструзии с противодавлением, при повышенных и низких температу-
рах, оригинальные прессы и устройства. Установлены закономерности из-
менения структуры и свойств широкого круга металлов, сплавов и компози-
ционных материалов в результате больших пластических деформаций под
высоким давлением, наследственного влияния деформации на структурные
и фазовые превращения при термическом воздействии [1]. На основе ре-
зультатов исследований созданы и внедрены на десятках машиностроитель-
ных заводов установки для гидроэкструзии заготовок, в том числе автомати-
зированные, и основанные на методах гидроэкструзии принципиально но-
вые ресурсосберегающие технологические процессы изготовления высоко-
качественной продукции. За создание оборудования и разработку способов
производства методами гидроэкструзии высококачественных изделий к.т.н.
В.С. Ковико и д.т.н. В.З. Спусканюк с соавторами удостоены в 1985 г. Пре-
мии СМ СССР.
Интеллектуальный потенциал и имеющаяся база экспериментального обо-
рудования позволили ученым ДонФТИ успешно включиться в развитие но-
вого в мировой науке направления исследований методов получения, струк-
туры и свойств наноматериалов. Это направление сформировалось в послед-
ние десятилетия на стыке физики твердого тела, физического материалове-
дения и обработки металлов давлением. Среди многообразных научных дос-
тижений здесь уместно отметить формирование нанокристаллического (НК)
либо субмикрокристаллического (СМК) состояния металлов и сплавов в объ-
емных образцах методами ИПД. Характерной особенностью процессов явля-
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
108
ется реализация интенсивных деформаций простым сдвигом, возможность
накопления больших пластических деформаций в результате многократного
деформирования заготовок с сохранением их исходных поперечных разме-
ров. Процессы ИПД осуществляют в условиях высокого давления, которое
обеспечивает повышение пластичности металлов и эффективности фрагмен-
тации кристаллов. В результате ИПД размеры зерен уменьшаются до суб-
микронных значений, формируется наноструктура с большими углами разо-
риентировки границ зерен, вследствие чего достигается значительное повы-
шение практически важных свойств деформированных металлов, в ряде слу-
чаев получаются качественно новые свойства. Для ряда промышленных от-
раслей, таких как авиационная, космическая, электротехническая, электро-
ника, производство медицинской техники, требуются материалы с высокими
служебными свойствами, которые достигаются в СМК-состоянии металлов и
сплавов. Потребность в таких материалах измеряется всего десятками и сот-
нями тонн, но их производство является высокорентабельным. Для получе-
ния таких полуфабрикатов и изделий из них с высоким уровнем физико-
механических свойств в мировых научных центрах разработаны такие мето-
ды ИПД, как равноканальная угловая экструзия (РКУЭ), которую называют
еще равноканальным угловым прессованием (РКУП), винтовая экструзия,
всесторонняя ковка, аккумулирующая прокатка и др.
В настоящей работе приведены результаты выполненных в ДонФТИ ис-
следований и разработок методов получения НК- и СМК-материалов, осно-
ванных на использовании процессов экструзии и гидроэкструзии. Это метод
РКУГ, который обеспечивает, как и РКУЭ, формирование наноструктур и
уникальных свойств материалов, но имеет неоспоримые технологические
преимущества перед РКУЭ в получении длинномерных прутков и обработке
высокопрочных материалов. Это методы РКМУЭ и РКМУГ. Развитие пер-
спективных методов РКУГ, РКМУГ и РКМУЭ, комбинированное их исполь-
зование совместно с традиционными методами обработки металлов давле-
нием открывают широкие возможности производства наноматериалов. В
статье приведены также некоторые результаты применения пакетной гидро-
экструзии для получения нановолоконных композитов.
Теория процессов и устройства для ИПД материалов
Процесс равноканальной угловой гидроэкструзии. При реализации разра-
ботанного нами метода РКУГ заготовка выдавливается из канала контейнера
через угловую матрицу жидкостью, сжатой до высокого давления (рис. 1)
[2,3]. Для обеспечения возможности многократного деформирования одной
и той же заготовки диаметр канала угловой матрицы на выходе выполнен
несколько большего размера, чем на входе (последний равен диаметру ка-
либрующего пояска конической матрицы). Это позволяет повторно загру-
жать в контейнер и осуществлять РКУГ заготовки без дополнительной опе-
рации по ее утолщению.
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
109
а б
Для снижения влияния контактного трения заготовки при РКУЭ реко-
мендуется [4] использовать устройства с подвижными стенками (заготовки
имеют квадратное либо прямоугольное поперечное сечение). Однако такие
устройства являются более сложными, причем в них хотя бы одна стенка
должна оставаться неподвижной, т.е. устранить отрицательное влияние тре-
ния в контейнере не удается. В связи с вышесказанным при РКУЭ относи-
тельная длина заготовок обычно не превышает шести диаметров, а необхо-
димость удаления дефектных концов приводит к значительным отходам при
многократной деформации заготовок.
Большая эффективность применения РКУГ по сравнению с РКУЭ связана
в первую очередь с отсутствием трения заготовки о стенки контейнера, с
возможностью обработки длинномерных заготовок и достигаемым при этом
повышением производительности труда и коэффициента использования ме-
талла. Даже при использовании эффективных смазочных веществ (значени-
ях фактора трения m = 0.1–0.3) вследствие влияния контактного трения дав-
ление РКУЭ больше, чем при РКУГ, в 1.8–2.4 раза для заготовок с относи-
тельной длиной l/d = 8–10 и в 3.5–5.0 раз – для l/d = 15–20. При РКУГ отно-
сительная длина части заготовки, контактирующей с входным каналом уг-
ловой матрицы, не превышает трех диаметров.
Разработан метод верхней оценки давлений РКУЭ и РКУГ заготовок че-
рез матрицу с закругленным внешним углом, учитывающий комплексное
влияние геометрии матрицы, упрочнения материала и условий трения. Ус-
тановлено, что при РКУГ работа сил контактного трения равна работе пла-
стической деформации материала при величине фактора трения m = 0.2–0.3
и в 3 раза больше ее при m = 0.55–0.65. На базе учета комплексного влияния
фактора трения, угла пересечения каналов матрицы и упрочнения материала
получена минимальная верхняя оценка давления РКУГ заготовок через мат-
рицу без закругления внешнего угла [5,6].
Несмотря на сокращение относительной площади контакта заготовки с
инструментом, при РКУГ также целесообразно использовать эффективные
смазочные вещества. Известно, что при определенных условиях прямой
Рис. 1. Схемы устройств для уг-
ловой гидроэкструзии с одной
(а) и двумя (б) зонами сдвига
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
110
гидроэкструзии возможно обеспечение экранирования заготовки в кониче-
ской матрице. Нами впервые показана возможность экранирования заготов-
ки в угловой матрице при РКУГ. При высокой вязкости смазочного слоя и
вследствие положительного влияния жидкости высокого давления в устано-
вившейся стадии РКУГ предотвращалось контактирование заготовки с ин-
струментом.
Впервые установлены основные положения механизма влияния угла пе-
ресечения каналов матрицы и фактора трения на распределение скоростей
деформаций заготовок при РКУЭ и РКУГ через матрицу без закругления
внешнего угла [7]. Показано, что в случае обработки идеально пластическо-
го материала максимальные значения скорости деформации ε на оси прутка
соответствуют стадии заполнения зазора между заготовкой и инструментом
у внешнего угла, в частности при: m = 0 и Φ = 90°; m = 0.6 и Φ = 120°. При
деформации упрочняемого материала максимальные значения ε установле-
ны накануне заполнения этого зазора, в частности при: m = 0–0.2 и Φ = 90°;
m = 0.5–0.6 и Ф = 120°. Установлено, что максимальные значения скоростей
деформаций идеально пластического материала в 1.5–2.5 раза больше, чем
упрочняемого материала. Показано также, что скорость деформации упроч-
няемого материала на входном участке зоны пластической деформации
меньше до двух раз, чем на выходном.
Получены выражения для определения значений скоростей деформаций
при различных условиях РКУГ, необходимые для оценки напряжения сдвига
материала и технологической пластичности заготовок. Для оценки среднего
по очагу сдвига значения скорости деформации получено выражение
02 ctg
2
ψ3tg
2
V
D
Φ
ε = , (1)
где V0 – скорость прессования; ψ – угол деформационной зоны, ψ = π – Φ –
– arccos τ
k
, τ – напряжение контактного трения.
Средняя скорость деформации представительного объема материала на
некотором расстоянии r от вершины внутреннего угла матрицы определяет-
ся в виде
2
0ε cos
ψ 0.2δ
V
r
ϕ
ε =
+
, (2)
здесь ε – интенсивность деформации, ϕ – угол между границей зоны сдвига
и горизонтальной линией, δ – ширина канала.
Исследованы закономерности изменения давления в процессе РКУГ
заготовок без пресс-остатка и по способу «заготовка за заготовкой», изу-
чено влияние относительного объема жидкости, относительного зазора
между заготовкой и стенкой контейнера и скорости истечения заготовки
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
111
на характер колебания давления РКУГ [8]. Показано, что для обеспече-
ния стабильного протекания процесса необходимо ограничение относи-
тельного объема жидкости и увеличение скорости деформирования. Вы-
явленные эффекты РКУГ аналогичны закономерностям прямой гидро-
экструзии.
Для практического использования метода РКУГ создан ряд устройств,
позволяющих с приемлемой производительностью реализовать процесс ИПД
заготовок диаметром от 13 до 35 mm, в том числе с противодавлением [9].
Разработано устройство для РКУГ заготовок длиной в несколько метров
(рис. 2) с использованием известного принципа устройств Т-образного типа,
в которых жидкость, сжатая в вертикальном канале, перетекает в горизон-
тальный канал и выдавливает заготовку [10].
Разработан ряд устройств для полунепрерывной гидромеханической экс-
трузии прутков неограниченной длины. Один из вариантов такого устройст-
ва представлен на рис. 3.
Рис. 2. Схема устройства для РКУГ с вертикальным и горизонтальным контейнерами
Рис. 3. Устройство для гидромеханической угловой экструзии прутков неограни-
ченной длины: 1 – пруток, 2 – внешний зажимный патрон, 3 и 4 – автоматические
гидравлические цилиндры, 5 – обойма, 6 – внутренний зажимный патрон, 7 – гайка,
8 и 12 – уплотнения, 9 – контейнер высокого давления, 10 – жидкость высокого
давления, 11 – устройство для создания давления, 13 – угловая матрица, 14 – уст-
ройство для начальной загрузки прутка
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
112
Процесс равноканальной многоуг-
ловой гидроэкструзии. Недостаток
метода РКМУЭ, связанный с боль-
шими потерями на преодоление
трения, эффективно устраняется при
реализации процесса в режиме гид-
роэкструзии. Разработаны схемы
РКМУГ и устройства для их реали-
зации [11,12].
В [13,14] показано, что при РКУЭ
для формирования однородной мик-
роструктуры с большими углами
разориентировки границ зерен тре-
буется реализация ИПД, и поэтому
необходимо, чтобы угол матрицы
был равен или близок к Φ = 90°. В
связи с этим считается, что при кон-
струировании любой многоугловой
матрицы необходимо обеспечить,
чтобы каждая отдельная зона сдвига
была связана с углом, близким к Φ =
= 90°. В разработанных нами уст-
ройствах для РКМУЭ и РКМУГ
(рис. 4) наряду с углом Φ = 90° ис-
пользуются углы Φ = 110–160°, бла-
годаря чему существенно расширяются технологические возможности мето-
дов. Применение таких устройств обеспечивает широкие возможности варьи-
рования интенсивностей деформаций сдвига в отдельных очагах деформации,
повышения или уменьшения их в каждом очередном очаге по ходу движения
заготовки в канале, достижения большой накопленной степени деформации
заготовки за проход по каналу при относительно малых интенсивностях де-
формаций в отдельных очагах. Обработка заготовок упрощается, когда вход-
ной и выходной участки канала расположены вертикально, лучше – соосно.
При этом возможно использование известных устройств для загрузки загото-
вок в контейнер, заливки рабочей жидкости и создания противодавления на
выходе из канала. Достаточно просто, путем увеличения количества дефор-
мирующих втулок в устройстве, можно продолжить канал с увеличением
числа зон сдвиговой деформации, а их пространственное положение можно
изменить, поворачивая втулки относительно вертикальной оси.
Давление РКМУГ (без противодавления) оценивается [3,12] в виде
1 0
2 ctg
2
n n
i
iz i i i
i i
P K K m l
F= =
Φ Π
= +∑ ∑ , (3)
Рис. 4. Схема устройства для реализа-
ции РКМУГ
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
113
где Ki − напряжение пластического сдвига металла после деформации в i-й
зоне сдвига; mi и li – соответственно фактор трения и длина участка канала
после i-й зоны сдвига; Π − периметр поперечного сечения канала; F – пло-
щадь поперечного сечения канала. Величина Kiz принимается равной средне-
геометрическому значению напряжений сдвига металла до и после деформации
в этой зоне, т.е.
( )1iz i iK K K−= . (4)
Считая форму поперечного сечения канала между зонами сдвига круглой с
диаметром D и принимая для упрощения, что фактор трения на всех участ-
ках одинаковый, получим
1 0
42 ctg
2
n n
i
iz i i
i i
mP K K l
D= =
Φ
= +∑ ∑ . (5)
Проведены оценки фактора трения путем сопоставления расчетных и
экспериментальных значений давления при РКМУЭ и РКМУГ. Результаты
исследования свидетельствуют об эффективности использования жидкости
высокого давления для реализации РКМУГ, особенно в случае деформации
относительно коротких заготовок. В результате применения сжатой жидко-
сти повышается эффективность смазочного слоя в сравнении с условиями
при механической экструзии, потери на трение зависят от длины заготовки,
а относительная длина канала не оказывает существенного влияния на дав-
ление экструзии. Уровень давления задается числом зон сдвига, в которых
заготовка деформируется одновременно, интенсивностью деформаций сдви-
га и относительной длиной заготовки, определяющей размеры контактной
поверхности. С увеличением относительной длины заготовки наблюдается
некоторое повышение расчетного значения фактора трения (при одинаковом
числе зон сдвиговой деформации), что объясняется ухудшением условий
для проникновения жидкости в зазор между заготовкой и инструментом.
Тем не менее установленные значения фактора трения при РКМУГ сущест-
венно меньше уровня, который соответствует по той же расчетной методике
давлению РКМУЭ [12].
Целесообразность применения устройств для РКМУГ может быть обу-
словлена повышением производительности обработки, необходимостью
снижения разовых интенсивностей деформаций высокопрочных либо мало-
пластичных материалов, возможностью обеспечения строго регламентиро-
ванного чередования величин интенсивностей и направлений сдвига для на-
правленного формирования структуры материала.
Эффекты ИПД заготовок металлов и сплавов
Установлено, что ИПД заготовок методами угловой гидроэкструзии
(РКУГ либо РКМУГ) обеспечивает эффективную трансформацию структу-
ры и свойств металлов и сплавов. В качестве примера приведены результаты
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
114
обработки методом РКУГ образцов меди М1 с размерами зерен в исходном
состоянии 6–40 μm (средний размер 16 μm) [3]. После трех проходов заго-
товки через S-образную матрицу (см. рис. 1) размеры зерен не превышали
1 μm, а размеры большинства равнялись 200–600 nm, причем более крупные
из них были также фрагментированы со средним размером фрагментов по-
рядка 100–200 nm (рис. 5).
На рис. 6 приведены результаты испытания на сжатие медных образцов,
предварительно деформированных методом РКУГ. Как и в случае предвари-
тельной деформации заготовок методом РКУЭ, увеличение степени накоп-
ленной деформации свыше ε = 2.3 практически не влияет на уровень преде-
ла текучести меди. Твердость меди после 6 проходов через матрицу с Ф =
= 90° (ε = 6.8) повысилась до 1340 MPa.
Рис. 5. Микроструктура меди после трех операций РКУГ в S-образной матрице
Рис. 6. Влияние РКУГ на свойства меди М1
Полученные на образцах меди, алюминия и их сплавов результаты свиде-
тельствуют, что с точки зрения достигаемых эффектов структурной моди-
фикации и повышения комплекса свойств обрабатываемых материалов ме-
тод РКУГ ни в чем не уступает методу РКУЭ [3,15].
Особенно эффективные результаты достигнуты при комбинированном
использовании методов РКУГ и прямой гидроэкструзии (ПГ). Так, в резуль-
тате РКУГ и ПГ образцов сплава Al–0.6Sc–0.6Ta зерно измельчилось до
200–400 nm (наблюдались фрагменты 20–50 nm), получен аномально сверх-
пересыщенный твердый раствор Sc и Ta в Al. Обработка сплава АД31,
включающая предварительную закалку, старение и комбинированную де-
формационную обработку методами ПГ и РКУГ, обеспечила формирование
более однородной структуры с размерами зерен до 200–500 nm и повышение
прочности на 35–40%.
Предложен принципиально новый подход к комбинированному исполь-
зованию методов ПГ и РКУГ: впервые продемонстрировано, что многократ-
ное поочередное их применение в технологической цепочке обработки меди
в дробном режиме при оптимальных степенях деформации результирова-
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
115
лось в формировании уникального комплекса физических и механических
свойств [15,16]. В проволоке диаметром 0.5 mm из бескислородной меди
Cu-OF были достигнуты высокий предел прочности σb = 576 MPa, относи-
тельное удлинение δ = 1.9% и электрическая проводимость на уровне 96.7%
IACS. В проволоке из Cu-FRTP достигнуты σb = 686 MPa, δ = 2.0% и элек-
трическая проводимость на уровне 86.4% IACS. Такой комплекс прочности
и электрической проводимости является рекордным для меди и медных
сплавов (рис. 7).
Рис. 7. Физические и механические свойства меди и медных сплавов после хо-
лодной деформации: 1, 2 – Cu-OF; 3 – Cu-FRTP; 4 – Cu–0.1Mg; 5 – Cu–0.28Co;
6 – Cu–0.3Cr–0.15Ti; 7 – Cu–0.3Cr–0.25Sn–0.2Zn; 8 – Cu–2.4Fe–0.12Zn; 9 –
Cu–1.0Cr–0.25Sn–0.2Zn; 10 – Cu–2.0Ni–0.4Si–0.2Zn; 11 – Cu–0.8Co–1.5Fe–0.6Sn; 12 –
Cu–1.5Ni–2.0Sn–0.5Zn–0.25Ti; 13 – Cu–3.2Ni–1.2Sn–0.7Si–0.3Zn; 14 – Cu–9.0Ni–2.0Sn
Предложенный метод комбинированной обработки эффективен благода-
ря альтернативным схемам деформации и периодическому созданию благо-
приятных условий для процессов релаксации и динамической рекристалли-
зации в материале. При ИПД простым сдвигом измельчение зерен и упроч-
нение материала достигают насыщения. Но при продолжающейся обработке
заготовок метод ПГ обеспечивает более высокую степень упрочнения мате-
риала, а РКУГ – условия для релаксации напряжений, залечивания микро-
трещин и меньшего исчерпания ресурса пластичности.
Использование методов ПГ и РКУГ при обработке низколегированного
дисперсионно-твердеющего медного сплава Cu–Cr–Zr позволило получить
образцы с уровнем прочности σb = 693 МPа, превосходящим известные ре-
зультаты, высокой термостойкостью и электропроводностью на уровне 82%
IACS.
Определены условия получения методами ИПД высокого комплекса ме-
ханических свойств титановой проволоки микронных размеров с НК-струк-
турой. В проволоке диаметром 0.28 mm из титана ВТ1-0 обеспечиваются
механические свойства в диапазоне от предела прочности σb = 607 MPa при
относительном удлинении δ = 15% до σb = 1313 MPa при δ = 3%.
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
116
В случае использования метода РКМУГ крайне важна (с точки зрения ха-
рактера структурообразования) возможность обеспечить в процессе обра-
ботки материала желаемый маршрут деформирования путем подбора углов
и расположения деформирующих шайб [11,12]. Изменение пространствен-
ного положения плоскости сдвига материала, как уже отмечалось, можно
осуществить путем поворота на требуемый угол пары втулок, образующих
соответствующую зону деформации. Это способствует эффективному дроб-
лению структурных составляющих и изотропизации структуры металличе-
ских материалов.
Установлено, что методы РКМУЭ и РКМУГ с углами Φ = 110–160° могут
успешно использоваться для производства би- и полиметаллических загото-
вок с формированием субмикроструктуры во всех компонентах (при Φ = 90°
такие заготовки обрабатывать невозможно) [12]. Так, составные заготовки
из сплава NbTi в медной оболочке продавливали через канал с тремя зонами
сдвига и различными степенями накопленной за проход деформации (ε =
= 0.62–1.27). При меньших степенях деформации (ε = 0.62–0.82) за проход
наблюдались сравнительно равномерная деформация элементов составной
заготовки и умеренная (~ 800 MPa) величина давления деформирования.
Экспериментально доказана возможность многократного деформирования
по схеме «заготовка за заготовкой» без каких-либо промежуточных обрабо-
ток между циклами. Реализовано соответственно 15 и 12 циклов продавли-
вания. Равноосная СМК-структура формировалась после многократного де-
формирования как в центральном элементе, так и в трубчатой оболочке. При
величине деформации за проход ε = 1.27 (в случае использования меньших
углов Ф) наблюдалось неравномерное истечение компонент заготовки с
опережением сердечника, давление экструзии превышало 1000 МPа.
Методом РКМУЭ обрабатывали заготовку, состоящую из пакета (d ~ 12 mm)
проволочных элементов, заключенного в общую медную оболочку с наруж-
ным диаметром 15 mm. Каждый проволочный элемент представлял собой
сердечник из сплава NbTi, покрытый слоем меди М0б. Составную заготовку
продавливали через канал с тремя зонами сдвига при величине накопленной
за проход деформации ε < 1. Предлагаемый способ и режимы обеспечивали
многократное продавливание труднодеформируемого композита с формиро-
ванием СМК-структуры во всех составных элементах.
Полученные результаты исследования имеют большое практическое зна-
чение. К примеру, включение РКМУЭ в технологическую цепочку изготов-
ления сверхпроводящей проволоки из сплава NbTi в медной оболочке (горя-
чее прессование биметалла + РКМУЭ + гидроэкструзия + волочение) обес-
печило формирование высокооднородной нанокристаллической структуры с
рассеянной текстурой и высокой плотностью границ зерен [17,18]. В резуль-
тате достигается упрочнение материала и значительное (до двух раз) повы-
шение плотности критического тока, причем плотность выше практически
во всем исследованном диапазоне магнитных полей.
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
117
Уникальные возможности в производстве наноматериалов представляет
процесс пакетной гидроэкструзии. Следует отметить не только возможно-
сти достижения уникальных результатов в формировании наноструктурного
состояния и особого комплекса свойств таких материалов, но и технологич-
ность метода. Установлено, например, что метод пакетной гидроэкструзии
может быть успешно использован для получения ферромагнитных компози-
тов с относительно регулярной структурой магнитной компоненты. Много-
кратное применение пакетной гидроэкструзии и волочения позволило полу-
чить образцы композитов, в которых расчетный диаметр волокон армко-
железа варьировался в широких пределах, достигая области наноразмерных
значений. Впервые получены образцы Cu–Fe-композитов с однодоменной
структурой магнитной подсистемы и, как следствие, максимальной величи-
ной коэрцитивной силы. Показано, что метод пакетной гидроэкструзии мо-
жет быть использован для получения высокопрочных волокнистых магнит-
ных микро- и нанокомпозитов, обладающих низким удельным электриче-
ским сопротивлением и высокой коэрцитивной силой [19].
Заключение
В результате выполненных в ДонФТИ им. А.А. Галкина НАН Украины
комплексных фундаментальных и прикладных исследований процессов гид-
роэкструзии выявлены новые возможности получения металлических нано-
материалов с уникальными физическими и механическими свойствами, раз-
работаны научные основы новых технологий производства объемных заго-
товок таких материалов.
Эти технологии основаны на использовании вновь разработанных мето-
дов интенсивной пластической деформации – угловой гидроэкструзии, рав-
ноканальной многоугловой экструзии и многоугловой гидроэкструзии, раз-
витии методов прямой гидроэкструзии, в частности пакетной гидрозкстру-
зии, применении гидроэкструзии в комбинации с традиционными методами
обработки металлов давлением.
Результатом теоретических разработок являются выявленные закономер-
ности процессов, расчетные соотношения для определения их параметров,
возможность установления рациональных условий реализации угловой экс-
трузии и угловой гидроэкструзии заготовок на основе учета комплексного
влияния основных факторов процессов (геометрических, условий трения,
измельчения зерен, упрочнения материала и т.п.), возможность производст-
ва длинномерных прутков и проволоки из металлов, сплавов, би- и полиме-
таллических композитов с уникальным комплексом физических и механиче-
ских свойств.
Разработанные новые устройства для угловой гидроэкструзии, равнока-
нальной многоугловой экструзии обеспечивают высокоэффективное произ-
водство изделий из субмикро- и нанокристаллических материалов.
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
118
1. В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, В.З. Спусканюк, Теория и практика гидроэкстру-
зии, Наукова думка, Киев (2007).
2. V.Z. Spuskanyuk, O.A. Davydenko, I.M. Kovalenko, in: Proc. of Intern. Conf. on
«Modern Materials Science: Achievements and Problems», MMS-2005, Kiev,
Ukraine (2005), p. 224.
3. V. Spuskanyuk, A. Spuskanyuk, V. Varyukhin, J. Mater. Proc. Tech. 203, 305 (2008).
4. V.M. Segal, Mater. Sci. Eng. A386, 269 (2004).
5. В.З. Спусканюк, А.Н. Гангало, А.А. Давиденко, И.М. Коваленко, в сб.: Обработка
материалов давлением, ДДМА, Краматорск (2009), № 1, с. 50.
6. В.З. Спусканюк, А.Н. Гангало, А.А. Давиденко, ФТВД 19, № 4, 82 (2009).
7. В.З. Спусканюк, А.Н. Гангало, А.А. Давиденко, ФТВД 20, № 4, 133 (2010).
8. V.Z. Spuskanyuk, O.A. Davydenko, O.N. Gangalo, High Pressure Research 32, 544
(2012).
9. Пат. № UA 46169 МПК (2009) В21 С 37/00, В21 С 37/15/№ u 2006 06382, В.М. Ва-
рюхін, В.З. Спусканюк, О.М. Гангало, О.А. Давиденко, І.М. Коваленко, Заявл.
19.06.2009, Бюл. № 23 (2009).
10. V. Beloshenko, V. Spuskanyuk, Inter. J. Mater. Chem. 2, 145 (2012).
11. В.Н. Варюхин, В.З. Спусканюк, Н.И. Матросов, А.Б. Дугадко, Б.А. Шевченко,
Э.А. Медведская, Л.Ф. Сенникова, А.В. Спусканюк, Е.А. Павловская, ФТВД 2, № 4,
31 (2002).
12. В.З. Спусканюк, А.Б. Дугадко, И.М. Коваленко, Н.И. Матросов, А.В. Спусканюк,
Б.А. Шевченко, ФТВД 13, № 3, 85 (2003).
13. K. Nakashima, Z. Horita, M. Nemoto, T.G. Langdon, Acta Mater. 46, 1589 (1998).
14. K. Nakashima, Z. Horita, M. Nemoto, T.G. Langdon, Mater. Sci. Eng. A281, 82
(2000).
15. V. Spuskanyuk, O. Davydenko, A. Berezina, O. Gangalo, L. Sennikova, M. Tikho-
novsky, D. Spiridonov, J. Mater. Proc. Tech. 210, 1709 (2010).
16. O. Davydenko, V. Spuskanyuk, V. Varyukhin, Mater. Sci. Forum 667−669, 909
(2011).
17. V.A. Beloshenko, T.E. Konstantinova, N.I. Matrosov, V.Z. Spuskanyuk, V.V. Chishko,
D. Gajda, A.J. Zaleski, V.P. Dyakonov, R. Puźniak, H. Szymczak, Journal of Super-
conductivity and Novel Magnetism 22, 505 (2009).
18. В.А. Белошенко, Н.И. Матросов, В.В. Чишко, В.З. Спусканюк, Е.А. Павловская,
Л.Ф. Сенникова, Э.А. Медведская, О.Н. Миронова, Д. Гайда, А. Залески, Р. Пуж-
няк, Металлы № 5, 63 (2009).
19. А.Н. Черкасов, В.А. Белошенко, В.З. Спусканюк, В.Ю. Дмитренко, Б.А. Шевчен-
ко, ФММ 104, 144 (2007).
V.Z. Spuskanyuk
NEW ACHIEVEMENTS OF DEVELOPMENT OF HYDROEXTRUSION
THEORY AND METHODS
New possibilities of the creation of metal nanomaterials with unique physical and me-
chanical properties were discovered as results of integrated fundamental and applied
studies of hydroextrusion. The results of the study of new severe plastic deformation
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 2
119
(SPD) processes, i.e. equal-channel angular hydroextrusion (ECAH), equal-channel mul-
tiple-angular extrusion and hydroextrusion (ECMAE, ECMAH) were presented. The ef-
fects in the course of formation of the structure and the properties of Cu and Cu alloys, Al
alloys, Ti have been considered. Techniques and facilities for high-production of bulk
materials with submicrocrystalline and nanocrystalline grain structure, in particular of
multiple-meter long billets, are briefly described.
Keywords: hydroextrusion, method, facility, severe plastic deformation, submicrocrys-
talline and nanocrystalline materials
Fig. 1. Scheme of the ECAH facilities with (a) one and (б) two deformation zones
Fig. 2. Scheme of the ECAH facility with connected vertical and horizontal containers
Fig. 3. Facility of hydro mechanical angular extrusion of the rods of unlimited length: 1 –
rod, 2 – outer gripping device, 3 and 4 – automatic hydraulic cylinders, 5 – iron ring, 6 –
interior gripping device, 7 – screw, 8 and 12 – seals, 9 – high pressure container, 10 –
high pressure fluid, 11 – pressing device, 13 – angular die, 14 – device of the initial rod
charging
Fig. 4. Scheme of the ECMAH facility
Fig. 5. Microstructure of Cu after three ECAH passes through the S-type die
Fig. 6. Effect ECAH on the properties of commercial copper
Fig. 7. Physical and mechanical properties of Cu and Cu alloys after cold deformation: 1,
2 – Cu-OF; 3 – Cu-FRTP; 4 – Cu–0.1Mg; 5 – Cu–0.28Co; 6 – Cu–0.3Cr–0.15Ti; 7 –
Cu–0.3Cr–0.25Sn–0.2Zn; 8 – Cu–2.4Fe–0.12Zn; 9 – Cu–1.0Cr–0.25Sn–0.2Zn; 10 –
Cu–2.0Ni–0.4Si–0.2Zn; 11 – Cu–0.8Co–1.5Fe–0.6Sn; 12 – Cu–1.5Ni–2.0Sn–0.5Zn–0.25Ti;
13 – Cu–3.2Ni–1.2Sn–0.7Si–0.3Zn; 14 – Cu–9.0Ni–2.0Sn
|