СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ В ПАРАМАГНИТНОМ МАТЕРИАЛЕ АВТОНОМНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МАССИВОВ МЕТАЛЛА С ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМ ФЕРРОМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ Российский патент 1996 года по МПК B21D37/12 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам для изготовления деталей с регламентированным феноменологическим сочетанием эксплуатационных характеристик, и может быть использовано при изготовлении:
нового поколения датчиков измерения физических параметров в химически активных средах, при сверхмалых и сверхвысоких давлениях, а также при высоких и криогенных температурах;
нового поколения определяющих деталей видео- и аудиоаппаратуры (герконы
магнитоуправляемые контакты), позволяющих создать на базе одного элемента взаимоисключающие физические характеристики: "высокая упругость коррозионная стойкость высокая магнитная индукция B_s стабильная максимальная магнитная проницаемость μ_max;
нового поколения экологически чистых модулей в пищевых емкостях для катализации процессов образования аминокислот при брожении белковых масс;
нового поколения долгосрочных самовосстанавливающихся анализаторов крови на СПИД, позволяющих достаточно быстро визуально оценить факт нарушения иммунного биологического кода компонент крови; длительно сохранять большие объемы крови, исключив необходимость ее постоянного перемешивания с целью сохранения однородного состава.

Известен способ формирования в парамагнитном материале автономных пространственных массивов металла с дифференцированными ферромагнитными свойствами, заключающийся в размещении заготовки в матрице на опоре и приложении к ней со стороны торца от обкатного инструмента усилий осадки и обкатывания, обеспечивая в процессе формообразования перераспределение компонент фазового состава металла заготовки [1]
Недостатки способа следующие:
невозможно холодным пластическим деформированием создать в парамагнитном (ненамагниченном) материале сочетание таких взаимоисключающих характеристик, как магнитотвердые и магнитомягкие свойства локальных массивов металла детали при одновременном сохранении парамагнитных объемов металла с высокими упругими и коррозионно-стойкими свойствами;
диффузионная активность поверхностных слоев металла детали не обеспечивают ее стабильной работы в условиях сверхмалых давлений, биологически и химически активных сред и криогенных температур (прототип).

Решаемая задача изобретения заключается в создании в парамагнитном материале холодным пластическим деформированием автономных пространственных массивов материала с дифференцированными ферромагнитными свойствами, чередующимися с объемами с парамагнитными свойствами.

Решаемая задача достигается тем, что изменение фазового состава металла заготовки на кристаллографическом уровне и формирование локальных объемов с дифференцированными ферромагнитными свойствами выполняют при размещении заготовки на опоре с возможностью спонтанного качательно-колебательного движения, торцевую осадку заготовки прекращают при степени деформации, определяемой зависимостью
ε_т.о.= (0,05...0,09)ε_кр,
где ε_т.о. суммарная степень деформации при торцевой осадке, мм;
ε_кр предельно допустимая степень деформации металла при холодной торцевой осадке, мм.

При осадке заготовки со степенью деформации 0,04 ε_кр и последующем ее обкатывании при снятом усилии осадки, не наблюдалось феноменологическое фрагментирование структуры готовой детали, как следствие невозможности реализации механизмов ротационной пластичности.

При осадке заготовки со степенью деформации 0,01 ε_кр и последующем ее обкатывании при снятом усилии осадки в структуре металла готовой детали преобладает сильно выраженная полосчатость неметаллических включений, что является следствием прохождения механизмов пластического сдвига по плоскостям и большеугловым границам, а это полностью исключает вероятность зарождения ротационных мод пластичности.

При осадке заготовки на ее рабочем торце формируют коническое углубление, а на оппозитном опорном торце сферическую полость, после чего снимают усилие осадки с опорного торца заготовки, сохраняя при этом статический контакт обкатного инструмента и опоры с торцами заготовки. Затем к торцу заготовки с коническим углублением прикладывают усилие обкатки, производя прямое выдавливание металла в кольцевой зазор между опорой и матрицей и, одновременно, прилагают к выдавленному металлу пульсирующее усилие раскатки в зоне опорного торца в направлении, перпендикулярном к направлению выдавливания металла.

Окончательное формирование новых автономных комплексов магниточувствительных характеристик металла производят при появлении прерывистого звука высокого звучания и заканчивают при холостом обкатывании заготовки в течение времени
τ_х.о.= (1,1...1,8)τ_ц,
где τ_х.о. время холостого обкатывания заготовки, сек;
τ_ц длительность рабочего цикла формообразования заготовки, сек.

В случае обкатывания готовой детали на холостом ходу в течение времени, равном длительности рабочего цикла, в структуре металла детали явно выражены отдельные массивы с нагартованным матричным металлом, где не успела пройти перестройка кристаллографической структуры наклепанного металла.

При холостом обкатывании готовой детали в течение времени, равном 1,9 длительности рабочего цикла в структуре металла детали не обнаружено существенных отличий по сравнению со структурой после холодного обкатывания в течение времени 1,8 длительности рабочего цикла.

Отформованную заготовку выдерживают в замкнутом инструменте при статическом контакте с ней обкатного инструмента и опоры в течение времени, равном
τ_в= (2,0...2,6)τ_ц,
где τ_в время выдержки заготовки в инструменте, сек.

При выдержке отформованной заготовки в замкнутом инструменте в течение времени, превышающего длительность удвоенного рабочего цикла формообразования детали, уровень ферромагнитных свойств по объему металла заготовки получается нестабильным, отличным от заданного.

При выдержке заготовки в замкнутом инструменте в течение времени, большем 2,6 длительности рабочего цикла, уровень и характер распределения дифференцированных ферромагнитных свойств в готовой детали остается неизменным, таким же, как и после выдержки в течение 2,6 длительности рабочего цикла.

Кроме того, отформованную заготовку охлаждают со скоростями, отличающимися от скоростей ее охлаждения на воздухе; причем выдержку и последующее охлаждение заготовки осуществляют в постоянном магнитном поле с напряженностью, определяемой зависимостью
Bг_в.п.≥0,6 Вг_м.м.,
где Вг_в.п. напряженность внешнего постоянного магнитного поля, А/м;
Вг_м.м. минимальная напряженность локального массива металла заготовки, А/м.

При выдержке и последующем охлаждении заготовки в постоянном магнитном поле с напряженностью, меньшей заданной минимальной напряженности локального массива металла детали, не обеспечивается регламентированной стабильности ферромагнитных характеристик детали в процессе длительного времени.

При этом следует отметить, что в процессе формирования детали производят многократное реверсивное перемещение металла детали периферийной зоны части заготовки, со стороны приложения усилия обкатки.

Способ формирования в парамагнитном материале автономных пространственных массивов металла с дифференцированными ферромагнитными свойствами представлен графическим материалом, где: на фиг. 1 процесс осуществления способа в исходном положении с размещенной в нем заготовкой; на фиг. 2 то же, на стадии торцевой осадки; на фиг. 3 то же, при снятом усилии осадки; на фиг. 4 стадия приложения к заготовке усилия обкатки; на фиг. 5 стадия формоизменения заготовки от усилия обкатки; на фиг. 6 стадия окончательного оформления заданной геометрии и продолжения финишного формирования в ее металле феноменологических структурно-чувствительных характеристик; на фиг. 7 флуктуационный модуль; на фиг. 8 структура заготовки при вхождении в состояние динамической неустойчивости; на фиг. 9 то же, при развитии этого состояния; на фиг. 10 то же, при выходе заготовки из состояния динамической неустойчивости; на фиг. 11 рентгенограммы фольг образцов заготовки на различных стадиях ее динамической неустойчивости.

Способ осуществляется следующим образом.

Цилиндрическую заготовку 1 с двухсторонними фасками и нанесенной на поверхность смазкой размещают на планетарном деформирующем флуктуационном модуле 2, к рабочему (верхнему) торцу заготовки 1 подводят обкатной пуансон 3 и фиксируют ее в полости матрицы 4 между пуансоном 3, модулем 2 (см. фиг. 1) и опорой 5 (см. фиг. 2). Затем производят регламентированную торцевую осадку заготовки 1 со стороны пуансона 3, формируя на ее рабочем торце коническое углубление и сферическую полость на ее опорном торце со стороны модуля 2 (см. фиг. 2). Торцевую осадку заготовки прекращают при степени деформации, определяемой зависимостью
ε_т.о.= (0,05...0,09)ε_кр,
где ε_т.о. суммарная степень деформации при торцевой осадке, мм;
ε_кр предельно допустимая степень деформации металла при холодной торцевой осадке, мм.

После этого с обкатного пуансона 3 снимают усилие осадки, происходит определенная упругая релаксация по обоим торцам заготовки 1 при сохранении ее контакта с пуансоном 3 и модулем 2, при этом между упомянутыми элементами и заготовкой 1 образуются боковые зазоры.

Осевое вдавливание пуансона 3 в рабочий торец заготовки 1 обуславливает необходимую проработку ее исходной структуры за счет уплотнения и формирования геометрического верхнего ротационного диполя (ГВРД), образованного торцевой фаской заготовки и конической полостью. Кроме того, формируется силовой объемный ротационный диполь (СОРД) из-за несимметричности конического углубления и сферической полости на торцах заготовки (см. фиг. 3).

После снятия усилия осадки, при сохранении статического контакта пуансона 3 и модуля 2 с оппозитными торцами заготовки 1 к последней со стороны пуансона 3 прикладывают усилие обкатки и начинают ее формообразование (см. фиг. 4). При этом первоначально деформированию подвергается верхняя часть заготовки, в зоне образованного при осадке ГВРД.

По мере деформирования ГВРД и наложения его на СОРД создается суммарный силовой диполь (ССД) в деформируемом металле заготовки 1.

По мере формообразования заготовки и нагартовки ее металла частота вынужденных от обкатного пуансона 3 колебаний модуля 2 начинает резко возрастать и при достижении определенной степени деформации и наклепа металла заготовки 1 модуль 2 переводится в состояние хаотических флуктуаций, о чем можно судить по возникновению в обычном рабочем шуме устройства характерного звука высокого тембра типа "металл по металлу".

При дальнейшем деформировании заготовки и повышении степени ее нагартовки, ССД и частоты флуктуаций модуля 2 заготовка 1 также переводится в состояние динамической ротационной неустойчивости и начинает совершать вначале вынужденные перемещения, однонаправленные с орбитальным вращением пуансона 3, что иллюстрируется изменением тембра звучания вышеупомянутого характерного звука "металл по металлу".

При последующем обкатывании заготовки 1 и дальнейшем повышении степени ее наклепа, заготовка переходит в состояние спонтанного колебательно-качественного вращения в направлении, противоположном направлению вращения пуансона 3, что характеризуется изменением постоянного рабочего фона звучания на прерывистый звук наращивающейся высоты.

При продолжении процесса формообразования заготовки через некоторое время наращивание высоты прерывистого звучания прекращается, а затем он пропадает совсем, после этого исчезает звучание "металл по металлу" низкой высоты, что характеризует прекращение перемещений заготовки 1 и модуля 2 соответственно.

Пуансон 3 совершает холостое обкатывание заготовки в течение времени
τ_х.о.= (1,1...1,8)τ_ц,
где τ_х.о. время холостого обкатывания, сек;
τ_ц длительность рабочего цикла формообразования заготовки, сек.

Затем пуансон 3 вхолостую обкатывает отформованную заготовку, при этом производят регламентированные циклические вертикальные перемещения опоры 5 в пределах, допустимых пределом прочности нагартованного металла детали, гарантирующих сохранение его сплошности в местах концентраторов напряжений, что обуславливает многократное реверсивное знакопеременное перемещение металла периферийной кольцевой зоны части заготовки со стороны приложения обкатного усилия.

После этого производят выдержку заготовки в замкнутом инструменте при статическом ее контакте с пуансоном 3 в течение заданного времени, производят при этом регламентированное охлаждение в заданном постоянном магнитном поле с помощью устройства охлаждения 6 и гаммы постоянных магнитов 7 в соответствии с программой формирования эксплуатационных характеристик детали. Отформованную заготовку выдерживают в замкнутом инструменте при статическом контакте с ней обкатного инструмента и опоры в течение времени, равном
τ_в= (2,0...2,6)τ_ц,
где τ_в время выдержки заготовки в инструменте, сек.

Выдержку и последующее охлаждение осуществляют в постоянном магнитном поле, с напряженностью, определяемой зависимостью
Bг_в.п.≥0,6 Bг_м.м.,
где Вг_в.п. напряженность внешнего постоянного магнитного поля, А/м;
Вг_м.м. минимальная напряженность локального массива металла, А/м;
После этого отформованная заготовка с созданным комплексом феноменологических характеристик извлекается из инструмента. Кристаллофизика механизмов, происходящих в материале деформируемой заготовки, находящейся в состоянии динамической неустойчивости, такова: аномально выраженная фрагментированная структура металла заготовки форсированно заторможенной на различных этапах динамически неустойчивого состояния (см. фиг. 8, 9, 10) иллюстрирует участие ротационных мод пластичности аккомодационной пластичности, наличие которых обуславливает появление у каждого макрообъема (фрагмента) металла заготовки еще трех степеней свободы, на которых может рассеивать упругая энергия деформирования.

Пластическая деформация металла с участием ротационных мод реализуется по типу турбулентного перемещения сред вихревого типа, которые рождают крупномасштабные ротационные неустойчивости, возникающие при пластических поворотах границ, несущих полную информацию о морфологии вихрей. Анализируя упомянутую морфологию векторов разориентировки кристаллов можно объемно представить картину вихреобразного течения материала.

Знакопеременный механизм пластического деформирования зон металла заготовки в районе ее торцов, суммарные поля неоднородностей деформации и напряжений накладываются на вихреобразное перемещение металла в автономных объемах заготовки и создают определенные кристаллографические условия для реализации новых мод ротационной пластичности, которые обуславливают перестройку кристаллографической ГЦК (гранецентрированная) структуры исходного металла (немагнитна) на ОЦК (объемно-центрированная) структуру (ферромагнитна), что иллюстрируется рентгенографией фольг металла образцов заготовки, отобранных на различных этапах деформирования заготовки, находящейся в состоянии динамической неустойчивости (см. фиг. 11).

Упомянутая кристаллографическая ротационная перестройка формирует в металле детали феноменологическое сочетание взаимоисключающих свойств "высокая упругость коррозионная стойкость высокая магнитная индукция B_s - стабильная максимальная магнитная проницаемость .

Металлографический эффект в данном способе заключается в том, что ротационные повороты отдельных структурных элементов деформируемого металла реализуются в отдельных объемах деформированного металла, получившего еще незначительную степень суммарной деформации. При этом моды ротации проникают с макро- на мезоуровень и пространственная энергетическая модель поверхности пластической ротации реализуется в форме развитой топологической фигуры, а сами механизмы ротационных поворотов не совпадают по времени с процессом пластического деформирования заготовки, т.е. происходят и после окончания формообразования, выявляя феномен "последеформационного ротационного преобразования".

Таким образом, в заявленном способе реализованы гипотетические предпосылки Пайерсла, Орована, Тейлора и Нишиямы о возможности реализации механизмов ротационной пластичности на кристаллографическом уровне в техпроцессах практического формообразования.

Использование: в области обработки металлов давлением при изготовлении нового поколения определяющих деталей датчиковой аппаратуры, радио и видео техники, в хлебопечении и молокопереработке, а также в медтехнике при изготовлении емкостей для хранения крови и долгосрочных анализаторов крови на СПИД. Сущность изобретения: цилиндрическую заготовку с двухсторонними фасками размещают на планетарном деформирующем модуле, к рабочему торцу заготовки подводят обкатной пуансон, фиксируют заготовку в полости матрицы между пуансоном, модулем и опорой. Затем производят поочередно торцевую осадку и деформирование заготовки обкаткой с последующим холостым обкатыванием отформованной заготовки. В процессе деформирования заготовки поочередно переводятся в состояние динамической неустойчивости модуль и заготовка, что обуславливает реализацию мод ротационной пластичности на мезоуровне. В процессе пластического деформирования заготовки производят многократные реверсивные перемещения части металла заготовки, отформованную заготовку охлаждают в постоянном магнитном поле с различными скоростями. Приведены формулы, определяющие степень деформации заготовки при торцевой осадке, длительность холостого обкатывания и выдержки отформованной заготовки, а также напряженность магнитного поля. 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ формирования в парамагнитном материале автономных пространственных массивов металла с дифференцированными ферромагнитными свойствами, заключающийся в размещении заготовки в матрице на опоре и приложении к ней со стороны торца от обкатного инструмента усилий осадки и обкатывания, обеспечивая в процессе формообразования перераспределение компонент фазового состава металла заготовки, отличающийся тем, что перераспределение компонент фазового состава металла заготовки производят до кристаллографического уровня, обеспечивая формирование локальных объемов с дифференцированными ферромагнитными свойствами, для чего заготовку размещают на опоре с возможностью спонтанного качательно-колебательного движения, торцевую осадку и обкатывание заготовки производят поочередно, причем осадку осуществляют до степени деформации, определяемой из следующего соотношения:
ε_т.o= (0,05-0,09)ε_кр,
где ε_т.o суммарная степень деформации при торцевой осадке;
ε_кр предельно допустимая степень деформации металла при холодной торцевой осадке, м,
формируя при этом сферическую полость на опорном торце заготовки и коническое углубление на противоположном торце, после снятия усилия осадки при сохранении статического контакта обкатного инструмента и опоры с соответствующими торцами заготовки к торцу с коническим углублением прикладывают усилие обкатки, обеспечивая прямое выдавливание материала заготовки и кольцевой зазор между опорой и матрицей с одновременным воздействием на выдавливаемый металл в зоне опорного торца пульсирующим усилием раскатки в направлении, перпендикулярном направлению выдавливания металла, при появлении прерывистого звука высокого звучания производят холостое обкатывание заготовки в течение времени, определяемого из следующего соотношения
τ_х.о= (1,1-1,8)τ_ц,
где τ_х.о время холостого обкатывания заготовки, с;
τ_ц длительность рабочего цикла формообразования заготовки, с,
обеспечивая при этом окончательное формирование новых автономных комплексом магниточувствительных характеристик металла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отформованную заготовку выдерживают в замкнутом инструменте при статическом контакте с ней обкатного пуансона и опоры в течение времени
τ_в= (2,0-2,6)τ_ц.
3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что отформованную заготовку охлаждают со скоростями, отличными от скорости ее охлаждения на воздухе. 4. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что выдержку и последующее охлаждение заготовки осуществляют в постоянном магнитном поле с напряженностью

где напряженность внешнего постоянного магнитного поля, А/м;
минимальная напряженность внешнего постоянного магнитного локального массива металла заготовки, А/м. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе холостого обкатывания отформованной заготовки производят регламентированные циклические вертикальные перемещения опоры с обеспечением при этом многократного реверсивного знакопеременного перемещения металла периферийной кольцевой зоны части заготовки со стороны приложения усилия обкатки.