Наноструктурирование металлов

Установив трубную заготовку 9 в ручье устройства, начинают первый, нечетный этап ее деформирования. Для  этого сообщают встречное синхронное перемещение осевым пуансонам 25 и 26, обеспечивая их силовой контакт  с торцами заготовки и герметизируя тем самым ее полость. После этого  перемещение осевых пуансонов прекращают. Затем через осевые каналы, выполненные  в пуансонах, из полости заготовки  удаляют воздух и заполняют ее полость наполнителем, например машинным маслом, нагнетаемым источником высокого давления, например мультипликатором (не показан), гидравлически связанным, например, с каналом осевого пуансона 25. Удалив воздух из полости заготовки 9, перекрывают канал, например, осевого  пуансона 26, а в полость заготовки 9 от источника высокого давления добавляют наполнитель, создавая определенное гидростатическое давление q.

Затем выполняют нечетный, первый этап деформирования заготовки. При этом штоки 23 и 24 отводят друг от друга, а осевым пуансонам 25 и 26 сообщают встречное синхронное перемещение  навстречу друг другу. Одновременно сообщают перемещение вниз с силой  Р (Р<F) подвижному вкладышу, обеспечивая  заданное соотношение скоростей  между перемещающимися осевыми  пуансонами 25, 26 и вкладышем.

Под действием осевых сил Q (фиг.11), прикладываемых к заготовке 9 пуансонами 25 и 26, высокого гидростатического  давления наполнителя q в полости  заготовки и нагрузки Р со стороны  подвижного вкладыша осуществляют деформирование трубной заготовки в  -образный крутоизогнутый полуфабрикат 31.

На заключительной стадии первого, нечетного этапа деформирования заготовки прекращают встречное  перемещение осевых пуансонов 25, 26 и  перемещение вниз подвижного вкладыша. Приступают к выполнению следующего, четного этапа деформирования заготовки. Для этого уменьшают силы Q осевых пуансонов 25 и 26 до величины Q' (фиг.12), достаточной  для герметизации полости полуфабриката 27 и сохранения в ней высокого гидростатического давления q, прекращая  тем самым осадку торцов заготовки. Затем силу F (фиг.11) увеличивают до величины Р' (фиг.12), а силу Р (фиг.11) снижают  до величины силы F (фиг.12). Далее сообщают перемещение вверх подвижному вкладышу и синхронное с ним перемещение  друг от друга осевым пуансонам 25 и 26, выдерживая заданное соотношение  скоростей между подвижным вкладышем  и осевыми пуансонами. При этом под действием силы Р' и высокого гидростатического давления q  -образный крутоизогнутый полуфабрикат деформируют в первоначальную прямолинейную форму исходной заготовки (фиг.13), удваивая тем самым эквивалентную деформацию, получаемую материалом трубной заготовки. На этом заканчивают четный этап деформирования заготовки. При этом стержни 19, 20 и штоки 23, 24 устройства возвращают в исходное положение (фиг.8).

Далее, в зависимости от требуемой степени измельчения  зерен материала или получения  требуемой степени разориентировкимежзеренных границ материала трубной заготовки или иных задач, деформирование заготовки может быть продолжено по нескольким сценариям.

Во-первых, следующий, нечетный этап деформирования заготовки может  заключаться в дальнейшем сдвиге вверх срединной зоны заготовки (фиг.14) относительно положения, достигнутого на четном этапе деформирования, показанного  на фиг.13. Для этого штоки 21 и 22 отводят  друг от друга, реверсируют перемещение  осевых пуансонов 25 и 26, прикладывая  к ним осевую нагрузку Q. Одновременно продолжают перемещать вверх подвижный  вкладыш, выдерживая заданное соотношение  скоростей между осевыми пуансонами и вкладышем. Данный этап заканчивают  при получении, например, зеркальной относительно предыдущей, ступенчатой  формы  -образного полуфабриката. Дальнейшее деформирование ступенчатого полуфабриката, то есть четный этап, может заключаться в формоизменении полуфабриката со ступенчатой осью в полуфабрикат с прямолинейной осью, по ранее описанной схеме деформирования.

В данном случае, за счет обеспечения, в первом приближении, одинаковых суммарных  деформаций материала в вогнутых и выпуклых радиусах колен трубной  заготовки, получаемых в сумме на четном и нечетном этапах деформирования, обеспечивается более равномерное  распределение нанокристаллической структуры по радиальным сечениям межколенных зон полуфабриката.

Во-вторых, следующий, нечетный этап деформирования заготовки может  заключаться в выполнении сдвига срединной зоны заготовки вниз с  предварительным разворотом заготовки  на некоторый угол вокруг ее первоначального  положения, например, так, как показано на фиг.7. Затем формоизменение заготовки  вновь может быть продолжено по схеме  реализации четного этапа деформирования.

При этом количество этапов деформирования трубной заготовки  и их последовательность выполнения определяются целями и задачами практики.

Дополнительным резервом повышения эффективности создания нанокристаллической структуры материала заготовки по предложенному способу является возможность управления схемой напряженно-деформированного состояния материала в очагах пластической деформации, расположенных в коленных зонах деформируемой заготовки под углами  = /4 (фиг.4) к первоначальной оси заготовки. Это реализуется путем управления относительными скоростями перемещения осевых пуансонов и подвижной матрицы. Например, на нечетном этапе деформирования заготовки уменьшение скорости перемещения подвижной матрицы (Vм) по сравнению со скоростью перемещения осевых пуансонов (Vп), ориентировочно до величины 0,85 от скорости перемещения осевых пуансонов, (т.е. Vм/Vп 0,85) позволяет наложить на очаг пластической деформации заготовки дополнительные сжимающие напряжения, повышающие пластичность материала. И наоборот, на четном этапе деформирования заготовки, увеличение скорости перемещения подвижной матрицы на величину, составляющую ориентировочно до 1,15 от скорости перемещения осевых пуансонов, создает тот же эффект повышения пластичности материала в очаге пластической деформации. Помимо интенсификации образования нанокристаллической структуры материала заготовки это позволяет подвергнуть обработке трубные заготовки, имеющие пониженную, в обычных условиях, пластичность материала.

Диапазон применения предложенных способа и устройства не ограничивается получением нанокристаллической структуры материала трубных заготовок круглого сечения, а может быть расширен на формирование нанокристаллической структуры материала трубных заготовок, имеющих поперечные сечения в виде квадрата, прямоугольника и иных сечений, отличных от круглого.

Применение предложенного  способа и устройства для его  осуществления позволяет реализовать  не только равноканальное прессование трубных заготовок с различной формой поперечных сечений, но и управлять формированием повышенных механических свойств материала трубных полуфабрикатов, обеспечивая при этом высокие производительность труда и качество нанокристаллической структуры.

Формула изобретения

1. Способ получения нанокристаллической структуры материала в трубных заготовках, включающий заполнение полости заготовки наполнителем, поэтапное деформирование заготовки осадкой торцов посредством перемещения осевых пуансонов и сдвигом ее срединной части относительно концевых участков в направлении, перпендикулярном ее оси, при этом на нечетном этапе деформирования в процессе сдвига создают постоянное давление в наполнителе путем регулирования его количества и постоянную скорость сдвига, выбранную в пределах1 0,85 скорости осадки торцов, в конце нечетного этапа деформирования заготовки прекращают осадку ее торцов, сохраняют герметичность полости заготовки, а на четном этапе осуществляют сдвиг срединной части заготовки в противоположном предыдущему этапу направлении до придания заготовке исходного прямолинейного состояния, при этом обеспечивают заданное соотношение скоростей сдвига срединной зоны заготовки в пределах 1 1,15 скорости перемещения осевых пуансонов, поворачивают заготовку на угол относительно ее оси, далее осуществляют нечетный этап деформирования.

2. Способ по п.1, отличающийся  тем, что на нечетном этапе  деформирования сдвиг срединной  части заготовки осуществляют  в направлении, совпадающем с  его направлением на четном  этапе деформирования.

3. Устройство для получения  нанокристаллической структуры материала в трубных заготовках, содержащее разъемную матрицу в виде верхней и нижней полуматриц с центральным отверстием, центрального вкладыша в виде нажимного и опорного полувкладышей, размещенного в центральном отверстии разъемной матрицы с образованием каналов, пуансоны осевого сжатия трубной заготовки, гидроцилиндры со штоками, размещенные в упомянутых каналах стержни, форма сечения которых соответствует форме сечения трубной заготовки, гидроцилиндры со штоками, оси которых перпендикулярны осям стержней, причем торцы стержней с одной стороны имеют возможность взаимодействия с поверхностью заготовки, а с другой стороны - со штоками упомянутых гидроцилиндров.

4. Устройство по п.3, отличающееся  тем, что стержни и гидроцилиндры  размещены попарно в каналах  верхней и нижней полуматриц

4.Выводы

Анализ литературы и патентных  источников показал, что процессы изготовления наноструктурированных материалов в настоящее время интенсивно исследуются, однако до сих пор существуют проблемы в развитии этих процессов, связанные с сохранением остаточной пористости при компактировании и практическим использованием этих материалов.

Наиболее эффективными и развитыми методами получения наноструктуры являются различные методы пластической деформации, правда, имеются трудности применения данных методов в промышленности, обусловленные необходимостью создания инструмента повышенной прочности, приложения больших усилий, решение вопросов компенсации значительного трения, приводящего к задирам и «Схватам» материала заготовки и инструмента, а также к увеличению энергозатраты процессов.

В настоящее время наиболее исследованы методы:

• равноканального углового прессования
• равноканального углового прессования по схеме «КОНФОРМ»
• метод локального деформирования
• метод циклического гидроформирования трубных заготовок
• выдавливанием

5.Список литературы

1. Информационный портал о черной и цветной металлургии http://steeltimes.ru
2. Арсеньев П.А., Беляков А.А., Евдокимов А.А., Заславская А.Г., Феоктистов А.Ф., Черкасов А.П., Яштулов Н.А. «Нанотехнологии и их применение в электронике, электротехнике и водородной энергетике» — М.: МЭИ, 2007
3. Мини энциклопедия (Методы конденсации) http://www.wddb.ru/publ/khimija/metody_kondensacii/9-1-0-360
4. Гэрбэлэу Н. В., Реакции на матрицах, Киш., 1980; Дзиомко В. М., "Химия гетероциклических соединений", 1982, № 1, с. 3 18; Mandolini L., "Pure and Appl. Chem.", 1986, v.58, № 11, p. 1485-92. 3. В. Тодрес.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%EB%E0%E7%EC%E5%ED%ED%EE%E5_%ED%E0%EF%FB%EB%E5%ED%E8%E5
6. Достанко А.П., Грушецкий С.В., Киселевский Л.И., Пикуль М.И., Ширипов В.Я. Плазменная металлизация в вакууме. — Мн.: Наука и техника, 1983. — 279 с.
7. Б.М. Балоян, А.Г. Колмаков, М.И. Алымов, А.М. Кротов «НАНОМАТЕРИАЛЫ Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения.» — М. 2007. — 11 с.
8. О.Б. Петрова «КОНТРОЛИРУЕМАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СТЕКЛАКАК МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ФОТОНИКИ» — М. 2007. — 19 с
9. http://ru.wikipedia.org Молекулярно-пучковая эпитаксия  2012
10. Бушуев Ю.Г., Персин М.И. и Соколов В.А. Углерод-углеродные композиционные материалы: Справочник. - М.: Металлургия, 1994-127 с.
11. (Прототип) Использование углерод-углеродных композиционных материалов в медицине: http://www.carbon.com.ua.
12. Патент RU №2163105 С1, A 61 F 2/24, 20.02.2001.
13. Патент RU №2403206 C1, B 21 D 9/00, (2006.01)
14. Патент RU №2458756 C2, B 82 B 3/00, (2006.01)
15. 4. Белик Р.В. Исследования в области технологии производства изделий из пирографита. Инв. №ГИПХ 1440, 1968.
16. Алымов М.И. особенности консолидации порошков ФХОМ
17. Гусев А. И.»Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии.»— М.: Физматлит, 2007. — 416 с.
18. Валиев Р. З., Александров И. В.»Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией.»— М.: Логос, 2000. — 272 с.
19. Сегал В. М., Резников В. И., Копылов В. И. и др.»Процессы пластического структурообразования металлов.»— Минск: Наука и техника, 1994. — 232 с.