СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ СЛИТКОВ Российский патент 1997 года по МПК B21C23/00 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности, к способам прессования составных по толщине слитков, с целью получения труб с плакированной поверхностью (внутренней или внешней) или обеими плакированными поверхностями.

Применение многослойных изделий в различных конструкциях и аппаратах позволяет сэкономить дефицитные и дорогостоящие материалы, повысить надежность и долговечность работы изделий, разработать принципиально новые конструкции.

Известен способ прессования составных по толщине слитков, полученных кристаллизацией плакирующего металла относительно боковой поверхности заготовки из плакируемого металла в процессе полунепрерывного литья, при котором слиток нагревают, размещают на игле, устанавливают в контейнер, прикладывают через пресс-шайбу к его торцу осевое сжимающее усилие (1).

К недостаткам известного способа следует отнести:
для относительно толстостенных заготовок из плакерующего материала возможность образования дефектов типа пузырей, плен и т.п. на контактной поверхности плакирующий материал плакируемый материал, что при наличии атмосферного воздуха существенно улучшает качество отпрессованных труб;
применение специальных кристаллизаторов, поскольку используются относительно небольшие по длине заготовки из плакируемого материала;
повышенная себестоимость плакированных труб, вследствие необходимости механической обработки заготовки (ее свободной боковой поверхности) из плакирующего материала;
наличие усадки при кристаллизации расплавленного металла, что затрудняет процесс получения труб с внутренней плакированной поверхностью.

Известен также способ прессования слитков, преимущественно составных по толщине, например, из плакирующего и плакируемого материалов, при котором производят сборку слитка, размещая одну заготовку внутри другой, фиксируют заготовки между собой, затем слиток нагревают, устанавливают на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу, путем его размещения в контейнере и приложения к торцу осевого сжимающего усилия через пресс-шайбу (2).

Известный способ прессования составных слитков характеризуется следующими недостатками:
для относительно толстостенных заготовок из плакирующего материала - возможной несвариваемостью обрабатываемых материалов из-за наличия воздуха на контактной поверхности плакирующий материал плакируемый материал;
большой разнотолщинностью плакирующего материала как по периметру трубы, так и по ее длине в связи с отсутствием предварительной сварки обрабатываемых материалов перед их совместным деформированием;
относительно низким коэффициентом выхода годного, так как возникает необходимость отделения большого по длине выходного конца трубы.

Технологический результат, достигаемый изобретением, состоит в обеспечении требуемого качества плакированных труб (минимальная разнотолщинность плакирующего слоя как по периметру трубы, а также по ее длине; высококачественная сварка обрабатываемых материалов; повышенные коррозионные свойства труб и т.д.) при высоком выходе годного.

Это достигается тем, что в способе прессования слитков, преимущественно составных по толщине, например, из плакирующего и плакируемого материала, при котором производят сборку слитка, размещая одну заготовку внутри другой, фиксируют заготовку между собой, затем слиток нагревают, устанавливают на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу, путем его размещения в контейнере и приложения к торцу осевого сжимающего усилия через пресс-шайбу, согласно изобретению, сборку заготовок производят посредством сообщения им разноименной радиальной деформации, для чего заготовку из плакирующего материала выполняют составной по толщине, например, двухслойной, фиксируют все три заготовки осевым пластическим сжатием материала центральной заготовки, обеспечивая разноименную радиальную раздачу внешних от нее заготовок, с последующим осевым перемещением центральной заготовки в направлении, противоположном направлению приложения усилия, и формированием плоскости на одном из торцев слитка, а при установке слитка на иглу плоский торец размещают со стороны пресс-шайбы. Причем заготовки из плакирующего материала выполняют из одной и той же марки материала или из различных по маркам материалов.

Осуществление способа прессования составных по толщине слитков позволяет обеспечить требуемое качество плакированных труб (как геометрических размеров, а также качества сварки плакируемого и плакирующего материала) при высоком коэффициенте выхода годного.

Это объясняется тем, что в процессе сборки заготовок на контактных поверхностях достигают образования металлических связей. Для чего заготовку из плакирующего материала выполняют составной, например, двухслойной. Наложение на контактируемые поверхности поля радиальных напряжений в процессе осевого пластического сжатия материала центральной заготовки обеспечивает выполнение первого условия для образования металлических связей. Затем, осуществляя перемещение центральной заготовки в направлении, противоположном направлению приложения осевого усилия сжатия, образуют формирование чистых контактных поверхностей.

Таким образом, поля сжимающих напряжений на контактируемых поверхностях: плакирующий материал плакируемый материал и плакирующий материал - плакирующий материал обеспечивает сближение чистых поверхностей на расстояние, равное или близкое межатомному. Схватывание возникает практически по всем площадям контакта. Последующий нагрев слитка до температуры прессования вызывает интенсивные процессы диффузии и обеспечивает требуемую прочность сцепления обрабатываемых материалов.

Совместная пластическая деформация обрабатываемых материалов (на этапе прессования трубы) при этом не требует больших усилий и степеней деформаций для гарантированного обеспечения качества прессования труб с плакированной поверхностью.

На фиг.1 изображено исходное положение технологической оснастки и заготовок перед сборкой последних; на фиг.2 конечная стадия осевого пластического сжатия материала центральной заготовки; на фиг.3 исходное положение технологической оснастки и заготовки перед осевым перемещением центральной заготовки в условиях поля радиальных напряжений; на фиг.4 - конечная стадия формирования чистых поверхностей на контактируемых поверхностях; на фиг.5 исходное положение технологической оснастки и заготовок перед формированием уступа на одном из торцев слитка; на фиг.6 - конечная стадия формирования уступа; на фиг.7 составной слиток для прессования труб с внешней плакированной поверхностью и с полым радиальных напряжений на контактируемых поверхностях; на фиг.8 составной слиток для прессования труб с внутренней плакированной поверхностью и с полем радиальных напряжений на контактируемых поверхностях; на фиг.9 исходное положение слитка в контейнере перед выполнением операции прессования; на фиг. 10 стадия прессования составного слитка; на фиг.11 отпрессованная труба.

Вариант осуществления предложенного способа прессования слитков состоит в следующем.

Предварительно выполняют сборку составного слитка, например, для плакирования внешней при прессовании поверхности трубы (фиг.1). Для чего в толстостенную обойму 1, например, на закаленной стали УЗА с диаметром отверстия "Д" устанавливают втулочную заготовку 2 из плакирующего материала, имеющую внешний диаметр, равный "Д₁". В отверстие диаметром "Д₂" заготовки 2 устанавливают с минимальным зазором втулочную заготовку 3 также из плакирующего материала, например, из сплава алюминия с цинком (АцПл). Далее, в отверстие диаметром "Д₂" заготовки 3 устанавливают с минимальным зазором втулочную заготовку 4 из плакируемого материала, например, из алюминиевого сплава АМГ-3. В отверстие диаметром "Д₄" заготовки 4 устанавливают цилиндрический стержень 5 с диаметром "Д₅". На обойму 1 с центровкой по ее внешнему диаметру устанавливают кольцо 6, имеющее отверстие с диаметром, равным "Д₂". В отверстие кольца 6 по посадке движения размещают втулочный пуансон 7, внутренний диаметр которого равен диаметру "Д₃". Следует подчеркнуть, что контактируемые поверхности заготовки 2, 3 и 4 проходят стандартную предварительную подготовку с целью устранения фактов и каких-либо пленок, например, масляных.

При воздействии статическим усилием "P" на торец втулочного пуансона 7 вызывают осевое пластическое сжатие материала заготовки 3 и/ как следствие, разноименную радиальную деформацию внешних от нее заготовок 2 и 4. При этом заготовка 2 увеличивает свой внешний диаметр до диаметра "Д", обусловив радиальную степень деформации:
E (D-D₁)/D₁
Заготовка 4 уменьшает свой внутренний диаметр до диаметра "Д₅", также обусловив радиальную степень деформации:
E₁ (D₅ D₄)/D₄ (Фиг.2)
Важно отметить, что на завершающей стадии деформирование заготовок 2 и 4 на поверхностях контакта будет иметь место сдвиг поверхностных слоев в направлении движения втулочного пуансона 7 (показан стрелочками). Кроме того, в заготовках 2 и 4 будет накоплен определенный уровень упругой энергии, пропорциональный полученным деформациям "E" и "E₁".

Затем сняв кольцо 6 и удалив втулочный пуансон 7, обойму 1 переворачивают. Вновь устанавливают на обойму 1 кольцо 6 и в его отверстие втулочный пуансон 7. Как следует из приведенный схемы (Фиг.3), направление сдвига поверхностных слоев заготовок 2, 3 и 4 обращено в сторону торца втулочного пуансона 7.

При воздействии втулочным пунасоном 7 с усилием P₁ на торец заготовки 3 имеет место ее перемещение относительно неподвижных заготовок 2 и 4 в условиях поля радиальных напряжений. В результате знакопеременная деформация поверхностных слоев заготовки 2, 3 и 4 на поверхностях контакта реализует механизм формирования чистых поверхностей, а с учетом поля радиальных напряжений, образование металлических связей (фиг.4) (условно показаны точками вдоль образующих контактных поверхностей).

После чего переходят к формированию уступа на одном из торцев слитка. Для чего кольцо 6 заменяют на кольцо 8, имеющее отверстие с диаметром, равным "Д". В отверстие кольца 8 по посадке движения устанавливают втулочный пуансон 9 с внутренним диаметром, выполненным с минимальным зазором по отношению к внешнему диаметру заготовки 4 (фиг.5).

Воздействуя усилием "Р₂" на торец заготовки 2, вызывают пластическую деформацию обрабатываемого плакирующего материала с формированием уступа некоторой длины "l" (фиг.6).

После удаления (выпрессовки) слитка из технологической оснастки наблюдается частичная упругая радиальная разгрузка заготовок 2, 3 и 4, что, вместе с тем, сохраняет поле радиальных напряжений на контактируемых поверхностях (фиг.7).

Особо укажем, что заготовки 2 и 3 из плакирующего материала материала могут быть выполнены из одной и той же марки материала или из различных по маркам материалов, что может придать внешнему плакирующему слою повышенные характеристики коррозионной стойкости, износостойкости, прочности и т.д.

В случае сборки составного слитка для плакирования внутренней при прессовании поверхности трубы отличие технологического процесса от вышеописанного будет состоять только в том, что заготовка из плакируемого материала будет располагаться с внешней от плакирующего материала стороны (фиг.8).

Затем производят нагрев слитка, для чего используют, например, индукционную печь. Необходимо подчеркнуть, что поле радиальных напряжений, а также температура нагрева слитка интенсифицируют процесс диффузии, что, в конечном итоге, обусловит прочность связи на контактируемых поверхностях заготовок 2, 3 и 4. К моменту окончания нагрева слитка, в силу наличия уступа на одном из его торцев, температура заготовки 4 на длине, равной длине заготовки 2 (фиг. 7), будет соответствовать требуемой. На длине же "l" температура заготовки 4 будет несколько меньшей. Слиток устанавливают на подвижную иглу 10 (на чертеже условно показана неподвижной), на которой предварительно располагают пресс-шайбу 11. Подчеркнем, что уступ слитка, таким образом, обращен в сторону, противоположную от пресс-шайбы 11. Вводят иглу 10 с пресс-шайбой 11 и нагретым слитком в контейнер 12, где жестко закреплена коническая матрица 13 (фиг.9).

При воздействии усилием P₃ на пресс-шайбу 11 осуществляют этап распрессовки слитка и прессование трубы из монометалла (в нашем случае из сплава АМГ-3) (фиг.10). В связи с тем, что исходная температура материала заготовки 4 в области уступа несколько ниже, то этап прессования монотрубы вызывает повышенное давление в контейнере, что, в конечном итоге, обеспечивает качественную сварку обрабатываемых материалов до начала совместного их деформирования. Время, необходимое для качественной сварки обрабатываемых материалов, определяется скоростью деформирования при прессовании трубы из монометалла. Отпрессованная труба (фиг.11) после ее разрезки будет составлять некоторую длину из монометалла (из сплава АМГ-3) и заданную длину трубы с плакированной внешней поверхностью.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа проводилась при прессовании плакированных АцПл труб из алюминиевого сплава АМГ-3. Заготовки имели следующие геометрические размеры:
из АцПл:
внешний диаметр 145 мм
внутренний диаметр 135 мм
длину 100 мм
внешний диаметр 134,5 мм
внутренний диаметр 124,5 мм
длину 100 мм
из АМГ-3:
внешний диаметр 124,0 мм
внутренний диаметр 25,0 мм
длину 100 мм
Сборку слитков проводили на гидравлическом прессе ПСУ-250. Усилие, обеспечивающее разноименную радиальную раздачу заготовок, составляло (1,8 - 2,0) Мн. Осевое перемещение заготовки из плакирующего материала осуществляли при усилии, не превышающем 800 кн. Нагрев слитков осуществляли в индукционной печи до температуры 500^oC. Прессование осуществлялось прямым методом с подвижной иглой через коническую матрицу (угол конусности 135^o) с диаметром отверстия 32,0 мм, на горизонтальном гидравлическом прессе, развивающем максимальное усилие в 16 Мн. Диаметр иглы составлял 24,0 мм.

Отпрессовано 24 метра плакированных труб с поперечным сечением 32x4,0 мм. Металлографическими исследованиями, проводимыми на образцах, отрезанных через каждые 200 мм длины трубы, была установлена разнотолщинность плакированного слоя в пределах (2 5)% что вполне соответствует техническим требованиям на производство данной продукции. Коррозионные испытания выявили повышение коррозионной стойкости труб не ниже, чем на 6 баллов.

Отрабатывались также режимы получения труб с плакированной внутренней поверхностью, которые проявили адекватно характеристики, что и при прессовании труб с внешней плакировкой.

Выявлено, что используя лигатуру с заданными физико-химическими свойствами, по разработанной технологии возможно управлять прочностными и иными характеристиками внешнего плакирующего слоя.

Изобретение может быть использовано при получении бурильных труб, нефтепроводных труб и т.д. где требуются особые повышенные характеристики поверхностей труб.

Сущность: способ прессования слитков, преимущественно составных по толщине, например, из плакирующего и плакируемого материалов, осуществляют путем сборки слитка, размещая одну заготовку внутри другой, фиксирования заготовок между собой. Затем слиток нагревают, устанавливают на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу, путем его размещения в контейнере и приложения к торцу осевого сжимающего усилия через пресс-шайбу. Сборку заготовок производят посредством сообщения им разноименной радиальной деформации, для чего заготовку из плакирующего материала выполняют составной по толщине, например, двухслойной. Фиксирование всех трех заготовок осуществляют осевым пластическим сжатием материала центральной заготовки, обеспечивая разноименную радиальную раздачу внешних от нее заготовок, с последующим осевым перемещением центральной заготовки в направлении, противоположном направлению приложения сжимаемого усилия, и формированием плоскости на одном из торцев слитка. При установке слитка на иглу плоский торец размещают со стороны пресс-шайбы; заготовки из плакирующего материала выполняют из одной и той же марки материала или из различных по маркам материалов. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ прессования слитков, преимущественно составных по толщине, например, из плакирующего и плакируемого материалов, в котором производят сборку слитка, размещая одну заготовку внутри другой, фиксируют заготовки между собой, затем слиток нагревают, устанавливают на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу путем его размещения в контейнере и приложения к торцу осевого сжимающего усилия через пресс-шайбу, отличающийся тем, что сборку заготовок производят посредством сообщения им разноименной радиальной деформации, для чего заготовку из плакирующего материала выполняют составной по толщине, двухслойной, фиксируют все три заготовки осевым пластическим сжатием материала центральной заготовки, обеспечивая разноименную радиальную раздачу внешних от нее заготовок, с последующим осевым перемещением центральной заготовки в направлении, противоположном направлению приложения сжимающего усилия, и формированием плоскости на одном из торцов слитка, а при установке слитка на иглу плоский торец размещают со стороны пресс-шайбы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заготовки из плакирующего материала выполняют из одной и той же марки материала. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заготовки из плакирующего материала выполняют из различных марок материалов.