Способ комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок

Изобретение относится к обработке материалов давлением и может быть использовано для получения нанокристаллических заготовок металлов и сплавов с улучшенными физико-механическими свойствами для применения в машиностроении, авиадвигателестроении, в медицине для изготовления имплантатов.

Известен способ обработки металлов равноканальным угловым прессованием (РКУП), по которому в металле получают ультрамелкозернистую (УМЗ) структуру, обеспечивающую улучшение физико-механических характеристик (Сегал В.М. Пластическая обработка металлов простым сдвигом / В.М. Сегал, В.И. Резников, А.С. Дробышевкий, В.И. Копылов // Известия АН СССР. Металлы. - 1981. - С.115-123). РКУП заключается в деформации заготовок сдвигом в зоне пересечения каналов равного сечения. Заготовка неоднократно прессуется в специальной оснастке через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающимися обычно под углом от 90 до 120°. В случае труднодеформируемых материалов деформация осуществляется при повышенных температурах. Метод РКУП позволяет получить УМЗ-структуру с размером зерна около 200 нм в массивных образцах диаметром от 10 до 60 мм и длиной от 100 до 350 мм (Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с).

Недостаток РКУП заключается в следующем. С его помощью невозможно измельчать зерно металла до нанокристаллического (НК) состояния с размером зерна менее 100 нм (Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с).

Известен другой способ обработки металлов и сплавов - интенсивная пластическая деформация кручением под высоким давлением (ИПДК). ИПДК позволяет достигать наиболее высоких степеней деформации $$(e=7-10)$$ и формировать НК структуру в материалах. Схема деформации была предложена П.В. Бриджменом (Бриджмен П. Исследования больших пластических деформаций и разрыва. Влияние высокого гидростатического давления на механические свойства материалов / П. Бриджмен; пер. с англ. А.И. Лихтера; под ред. Л.Ф. Верещагина. - М.: Ин. лит-ра, 1955. - 444 с).

Недостатки известного способа заключаются в следующем. Известно, что при ИПДК степень деформации е зависит от радиуса г образца по формуле: $$e=\ln (2\pi nr/l)$$ , где e - логарифмическая степень деформации, n - число оборотов бойков (наковален), к и д - соответственно радиус и толщина образца в точке, в которой определяется степень деформации. В связи с этим структура образцов после ИПДК при малом числе оборотов бойков неоднородна (Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с). Для достижения в образце однородной наноструктуры методом ИПДК требуется достаточно большое число оборотов (обычно n≤5), что при необходимых для реализации процесса больших давлениях (5 ГПа и более) может приводить к разрушению образца и оснастки.

Наиболее близким к заявляемому является способ комбинированной интенсивной пластической деформации (RU 2240197, МПК B21J 5/00, C22F 1/18, опубл. 20.11.2004), в котором процесс осуществляют в следующий последовательности: деформация кручением в винтовом канале, затем равноканальное угловое прессование, при этом заготовку дополнительно подвергают низкотемпературному отжигу для снятия внутренних напряжений.

Недостатком прототипа является невозможность измельчать зерно металла до нанокристаллического (НК) состояния с размером зерна менее 100 нм, что не обеспечивает обрабатываемому материалу высоких физико-механических свойств.

Задачей изобретения является улучшение физико-механических свойств обрабатываемого металла, в частности повышение твердости, за счет создания в металле однородной наноструктуры с размером зерна менее 100 нм.

Поставленная задача решается способом комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок, включающим деформацию кручением и равноканальное угловое прессование. В отличие от прототипа деформацию кручением осуществляют после равноканального углового прессования, при котором в цилиндрической заготовке формируют ультрамелкозернистую структуру с размером зерна 200-300 нм, затем заготовку разрезают на диски, а каждый диск подвергают интенсивной пластической деформации кручением при помощи двух вращающихся бойков - верхнего и нижнего, причем деформацию кручением проводят при комнатной температуре под давлением 4-6 ГПа, при количестве оборотов бойков n≤2, с обеспечением формирования однородной нанокристаллической структуры в заготовке с размером зерна ≤100 нм.

Согласно изобретению на поверхности нижнего бойка выполнена канавка.

Технический результат достигается сочетанием РКУП+ИПДК в указанных режимах, что позволяет сформировать в материале однородную нанокристаллическую структуру с размером зерна ≤100 нм, приводящую к повышению механических характеристик материала.

Способ осуществляют следующим образом.

На первом этапе цилиндрическую заготовку подвергают РКУП при таких температурах и количестве циклов, которые обеспечивают формирование однородной УМЗ структуры в выбранном материале с размером зерна 200-300 нм.

После окончания этапа РКУП заготовку вынимают из оснастки и охлаждают до комнатной температуры. Проводится контроль микроструктуры и микротвердости в полученной заготовке.

После РКУП цилиндрическую заготовку разрезают на диски толщиной 0,8-1,5 мм. Далее заготовка-диск подвергается ИПДК при комнатной температуре под давлением 4-6 ГПа и количестве оборотов бойков n=1-2. В результате данной обработки происходит дополнительное измельчение зерна до размера ≤100 нм с формированием в материале заготовки НК структуры. После окончания ИПДК повторно проводят контроль микроструктуры и микротвердости образца.

Пример конкретного выполнения.

В качестве заготовки использовали пруток из титана Grade-4 диаметром 20 мм и длиной 80 мм. На первом этапе заготовку подвергали РКУП при температуре 450°C с числом циклов n=5. В результате в материале формировалась однородная УМЗ структура с размером зерна около 300 нм.

После окончания РКУП заготовку вынимали из оснастки и охлаждали до комнатной температуры. Проводился контроль микроструктуры и микротвердости полученной заготовки.

Затем заготовку разрезали на диски толщиной 1.1 мм и диаметром 20 мм.

На следующем этапе заготовку-диск подвергали ИПДК на бойках диаметром 20 мм с канавкой на поверхности нижнего бойка глубиной 0.7 мм, под давлением 6 ГПа и количестве оборотов бойков n=2. В результате ИПДК происходит дополнительное измельчение зерна материала заготовки, что приводит к формированию ПК структуры с размером зерна менее 100 нм по всему объему заготовки-диска. После окончания ИПДК повторно проводили контроль микроструктуры и микротвердости.

В таблице приведены сравнительные значения микротвердости в образцах из Ti Grade-4, полученных по традиционным схемам и по заявляемому способу.

Из таблицы следует, что в результате обработки по заявляемому способу в материале заготовки получают однородную нанокристаллическую структуру и высокие показатели микротвердости.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет улучшить физико-механические свойства обрабатываемого металла, в частности повысить микротвердость, за счет создания в металле однородной наноструктуры с размером зерна менее 100 нм. Данная обработка позволяет получать наноструктурные образцы из титана и сплава TiNi, в том числе для изготовления медицинских имплантатов.

1. Способ комбинированной интенсивной пластической деформации металлических заготовок, включающий деформацию кручением и равноканальное угловое прессование, отличающийся тем, что деформацию кручением осуществляют после равноканального углового прессования, при котором в металле цилиндрической заготовки формируют ультрамелкозернистую структуру с размером зерна 200-300 нм, затем заготовку разрезают на диски, а каждый диск подвергают интенсивной пластической деформации кручением при помощи двух вращающихся бойков - верхнего и нижнего, причем деформацию кручением проводят при комнатной температуре под давлением 4-6 ГПа при количестве оборотов бойков n≤2 с обеспечением формирования однородной нанокристаллической структуры в заготовке с размером зерна ≤100 нм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхности нижнего бойка выполнена канавка.