СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ В УСЛОВИЯХ РЕЗОНАНСНЫХ КОЛЕБАНИЙ СТРУКТУРНЫХ ЧАСТИЦ МАТЕРИАЛА Российский патент 2005 года по МПК B22F3/93 B21B1/00 B21C1/00 B22D27/00 

Изобретение относится к областям:

порошковой металлургии, в частности к технологии производства изделий из металлических порошков, стружек, гранулятов и других дисперсных материалов;

обработки компактных (сплошных) металлов давлением и резанием, в частности в области снижения удельного деформирующего усилия, повышения пластичности и интенсификации процессов волочения, горячих и холодных процессов прессования, штамповки, прокатки, механической обработки;

выплавки или переплавки металлов и различных сплавов, в частности при получении в процессе кристаллизации заданных структуры и свойств слитков и отливок.

Эти, разнородные на первый взгляд, области связаны одним общим явлением - возможностью воздействия при изготовлении изделий ультразвуковыми механическими колебаниями материалов на названные процессы в резонансных режимах, что позволяет свести возможные изобретения в различных областях к одному.

В настоящее время эти технологии основаны обычно на использовании резонансных колебаний инструмента или оснастки (см. Агранат Б.А., Гудович А.П., Нежевенко Л.Б. Ультразвук в порошковой металлургии. - М.: Металлургия; 1986, с.131-145). К генератору ультразвуковых колебаний подключаются магнитострикционные или пьезоэлектрические преобразователи, присоединенные к инструменту или другому исполнительному органу. "Это обусловлено возможностью достижения большой мощности при стабильной и надежной работе в наиболее целесообразном диапазоне частот 20-40 кГц." (см. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов. -М.: Машиностроение; 1984, с.73-94, 129-144). Из этого понятно, что в технологических процессах используются, как правило, ультразвуковые колебания в нижнем интервале частот.

В предлагаемом изобретении использована другая методика выбора частот ультразвуковых колебаний. Предлагается использование частот, соответствующих или пропорциональных частоте собственных колебаний структурных частиц среды, в частности частиц дисперсного материала (частиц порошка, стружки, гранулы и т.п.) в порошковой металлургии; зерен или доменов компактного материала при его обработке давлением или волочением, или резанием; зародышей зерен или зерен необходимого размера при кристаллизации жидкого материала.

В области порошковой металлургии и близких к ней областях получения деталей, заготовок, материалов из порошка, стружки, гранулята и других дисперсных материалов одной из наиболее сложных проблем является получение прессовки или брикета большой плотности. В настоящее время при известном классическом способе прессования порошка плотность прессовки составляет 0,6-0,7, а плотность изделия после спекания соответственно 0,7-0,8 от плотности компактного - литого или обработанного давлением - материала, что не позволяет получить высокие физико-механические свойства изделий. Применение колебательных процессов с частотой, близкой к собственной частоте жестких элементов оснастки при прессовании, позволяет несколько (на 10-12%) повысить плотность прессовок или брикетов или незначительно уменьшить удельные усилия прессования (см. Агранат Б.А. и др., приведен выше), однако достигнуть существенного увеличения плотности и снижения усилия не удавалось.

Известен также способ изготовления изделий из порошка, включающий его смешивание с жидкой средой и последующее прессование жесткими элементами оснастки с одновременным воздействием механических колебаний, по меньшей мере, двух частот - резонансной по отношению к одному из жестких элементов и нерезонансной низкочастотной; колебания могут быть возбуждены раздельно в жестких элементах с отрицательной обратной связью, причем частоты колебаний близки к частотам собственных колебаний жестких элементов; колебания в одном из жестких элементов могут возбуждаться "в виде радиоимпульсов" с периодом, пропорциональным периоду собственных колебаний другого жесткого элемента; к жестким элементам прикладывается статическое давление, близкое по величине половине амплитудного значения акустического давления одного из колебаний, прикладываемых к жестким элементам (см. Патент РФ №2100313, 27.12.1997).

Таким образом, в приведенном способе используется в основном указанный выше принцип резонансных колебаний инструмента, что подтверждается текстом описания, где рекомендуются частоты 15-100 кГц, и рисунками 1 и 3 (см. приведенный Патент). Кроме того, в этом способе введен пункт о возбуждении в одном из жестких элементов колебаний "в виде радиоимпульсов с периодом, пропорциональным периоду одного из колебаний, прикладываемых к другому жесткому элементу" (фиг.2 указанного Патента), что является серьезным ограничением. Напомним, что рекомендуемые частоты 15-100 кГц также входят в интервал радиочастот. Речь о статическом давлении, близком по величине половине амплитудного значения акустического давления, может идти только для приведенного интервала частот. Для высоких частот амплитуды колебаний излучающего активного элемента, а вслед за ними и амплитуды акустического давления, малы и статические давления, рекомендованные в приведенном способе, окажутся недостаточными для получения прессовки или брикета высокой плотности, такие рекомендации могут быть использованы только при изготовлении изделий ограниченной плотности.

В области обработки металлов давлением или волочением, или резанием важными проблемами являются:

большие технологические удельные усилия деформирования и при необходимости - разрушения (процессы резания материалов, листовой вырубки и пробивки и др.), особенно в холодных процессах;

обеспечение достаточной пластичности материала, как в части предельно допустимой деформации, так и увеличения деформации по переходам с целью уменьшения их количества и упрощения технологического процесса;

значительное технологическое трение, являющееся основным источником неравномерности деформаций, остаточных напряжений и износа оснастки.

Известно влияние ультразвука с частотой в основном 10-30 кГц, соответствующей обычно собственной частоте деформирующих элементов оснастки, на различные процессы холодной и горячей обработки материалов давлением или резанием (Абрамов О.В. и др., Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. - М.: Машиностроение; 1980, с.81-83). Типичным примером может служить способ изготовления цельноштампованных рабочих колес турбомашин с лопатками сложного аэродинамического профиля (патент РФ №2016693, 5В21К 3/04, публ.1994 г.).

Известно, что при прессовании, волочении, объемной и листовой штамповке, прокатке, закрытой и открытой осадке с наложением колебаний ультразвуковых частот 10-30 кГц снижаются удельные усилия в среднем на 10-50%; при этом возрастает величина предельно допустимой деформации; увеличивается деформация по переходам, что позволяет уменьшить число переходов или операций в таких процессах, как волочение, прокатка, листовая вытяжка. Происходит интенсификация процессов резания. Уменьшается шероховатость поверхности изделий, снижается трение между обрабатываемым материалом и активными элементами оснастки, что приводит к уменьшению неравномерности деформации, снижению остаточных напряжений, повышению стойкости оснастки. Этот способ обработки материалов с использованием ультразвуковых колебаний частотой, соответствующей резонансной частоте активных элементов оснастки (Абрамов О.В. и др., приведен выше), не позволят использовать данное явление в полную силу.

По предлагаемому способу в области обработки металлов давлением или резанием к обрабатываемому материалу вместе с технологическим деформирующим или режущим усилием производят наложение механических колебаний с частотой, соответствующей или пропорциональной собственной частоте колебаний структурных частиц - зерен или доменов металла. Эти колебания могут быть модулированы для повышения эффективности и стабилизации процессов деформирования или резания. Наложенные резонансные колебания среды вызывают многократное уменьшение удельных усилий деформирования и повышение пластичности металла. Это происходит за счет повышенных из-за резонансных явлений флуктуации энергии и интенсивного нагрева по плоскостям скольжения. Происходит также существенное снижение трения материала относительно оснастки (инструмента) с вытекающими отсюда уменьшением неоднородности деформаций, остаточных напряжений и износа оснастки; упрощение и удешевление технологического процесса изготовления изделий и повышение их качества.

В области выплавки и переплавки металлов и различных сплавов существуют проблемы, связанные с кристаллизацией жидкого металла в слитках и отливках: образуются крупные и неравномерные зерна, имеют место дендритная и зональная ликвация, газонасыщенность металла вплоть до газовых пор, раковин, микротрещин и др., что приводит к снижению физико-механических свойств металлов в изделиях.

Известен способ, позволяющий частично решать эти проблемы подведением в кристаллизующийся металл колебаний обычно ультразвуковой частоты в интервале 18-30 кГц. При этом "... наблюдается устранение столбчатой структуры, образование мелкого равноосного зерна, повышение однородности зерна и уменьшение степени развития ликвационных процессов. "Эти изменения"... определяются процессами, протекающими в расплаве и двухфазной зоне, - зарождением кристаллов, их диспергированием, процессами перемешивания, которые связаны с развитием в расплаве кавитации и акустических потоков и зависят от условий кристаллизации и свойств обрабатываемого металла" (Абрамов О.В. и др., приведен выше).

Известен также способ инициирования и/или ускорения и/или управления процессом кристаллизации, в котором переохлажденный или перенасыщенный раствор наносят на приемный барабан или на конвейерную ленту ленточного конвейера при воздействии ультразвуком на раствор или приемные устройства (патент РФ №2117512, В01D 9/00, В01J 2/00, публ.1998 г.). К сожалению, авторами не указаны используемые частоты ультразвука, приведены только пределы частот возможной гаммы источников ультразвука, составляющие "... от нескольких килогерц до нескольких сот килогерц". Однако эти частоты недостаточны для непосредственного воздействия ультразвуком на кристаллизующийся раствор с целью получения зародышей или зерен заданной величины.

Известен также способ непрерывного литья полых заготовок, при котором на дорн воздействуют колебаниями частотой 12-22 кГц, направленными вдоль его оси для облегчения снятия получаемой заготовки с дорна и обеспечения непрерывности процесса (патент РФ №2090301, В 22 D 11/00, В 22 D 11/04, публ.1997 г.). Недостатком способа является незначительное улучшение структуры и свойств получаемой продукции вследствие низких частот подводимых колебаний. При этом низкочастотные колебания подводят к элементам инструмента или оснастки: дорну, барабану, кристаллизатору или другим для введения их в резонанс.

По предлагаемому способу одновременно с основным технологическим воздействием (охлаждением и/или давлением) в зону кристаллизации (литейную форму, штамп, изложницу, кристаллизатор) вводят колебания частотой, соответствующей или пропорциональной частоте собственных колебаний зародышей или зерен заданной величины с возможными модуляциями для обеспечения резонансных колебаний кристаллизующегося жидкого металла. При этом происходит повышение однородности литого металла и снижение до минимума влияния ликвационных процессов и газонасыщенности, получение мелкого равноосного зерна заданной величины, повышение физико-механических свойств изделий, т.е. регулирование структуры и свойств продукции в нужном направлении.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому способу является способ-прототип изготовления изделий из порошка (Патент №2100313, 27.12.1997 г.).

Указанный прототип предлагает использовать совместно с технологическими (механическими) воздействиями наложение ультразвуковых колебаний в частотном диапазоне 15-100 кГц, обеспечивающих резонансные колебания оснастки или инструмента и дающих эффект в виде незначительного улучшения структуры и свойств продукции, поскольку применение ультразвука в нижнем интервале частот не позволяет в полной мере использовать возможности колебательных процессов.

Так плотность прессовок из порошков в условиях предложенных ими ультразвуковых колебаний повышается на 10-12% и достигает 0,7-0,82 при тех же удельных давлениях прессования, что и без применения ультразвука (200-1000 мПа), несколько повышаются эксплуатационные свойства изделий после спекания.

По предлагаемому способу используют одновременно с технологическими воздействиями (прессование или прокатка) ультразвуковые колебания структурных частиц металла, близкие к частоте собственных колебаний дисперсных частиц металла (частиц порошка, стружки, гранул) или пропорциональных им, что позволяет привести большую долю этих частиц в состояние резонанса. Это способствует существенному снижению трения частиц материала между собой и с поверхностями жестких элементов оснастки, более плотной укладке частиц, значительным флуктуациям энергии и повышению температур по плоскостям скольжения, что способствует существенному повышению пластичности, схватыванию и даже свариванию частиц металла между собой и многократному снижению необходимых для протекания процесса удельных усилий. Эти колебания могут быть модулированы для повышения эффективности и стабилизации процесса. В результате плотность полученных холодным деформированием брикетов и прессовок достигает до 0,92-0,99 и более от плотности компактного материала при соотношении высоты изделия к поперечному размеру до 1,3 и выше и равномерной плотности по высоте.

Задача изобретения состоит в повышении качества, снижении удельных усилий и/или энергетических затрат в целом, повышении стойкости оснастки, упрощении и повышении эффективности и производительности процессов производства изделий. В части повышения качества мы считаем, что при прессовании или прокатке и т.п. дисперсных материалов типа порошка, стружки, гранул происходит повышение плотности и снижение пористости; для компактных металлов при обработке их давлением или резанием, особенно в первом случае, происходит повышение плотности, улучшение структуры; при выплавке и переплавке металлов происходит повышение плотности и снижение пористости, в том числе газовой, повышение однородности литого металла и снижение до минимума влияния ликвационных процессов, улучшение и регулирование структуры; одновременно при всех перечисленных методах обработки металлов происходит улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств изделий, уменьшение неравномерности деформации, снижение остаточных напряжений и общее повышение качества изделий.

Поставленную задачу изобретения выполняют тем, что в предлагаемом способе изготовления изделий в условиях резонансных колебаний структурных частиц металла, включающем подготовку металла и воздействие на него механическими колебаниями ультразвуковой частоты для достижения резонанса, при прессовании или прокатке воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с частотами, соответствующими или пропорциональными собственной частоте колебаний дисперсных частиц металла до получения плотности изделий 0,92-0,99 и выше; при обработке давлением, волочении или резании воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с частотами, соответствующими или пропорциональными собственной частоте колебаний зерна или домена металла; при кристаллизации воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с частотами, соответствующими или пропорциональными собственной частоте колебаний кристаллизующихся зародышей или зерен металла, при этом при прессовании или прокатке подготовка металла включает промывку, дробление, дозирование, а при кристаллизации - выплавку и разливку металла в кристаллизатор или изложницу, или литейную форму. При воздействии механическими колебаниями ультразвуковой частоты осуществляют модуляцию колебаний.

Вариантов возможной реализации действий заявленного способа существует достаточно много в известной литературе (см., например, Агранат Б.А., стр.134, рис.67 или стр.136, рис.68, приведен выше), в приведенном выше Патенте (фигуры 1-3). По нашей технологии при брикетировании стружки материал подготавливают: при необходимости промывают, подвергают магнитной сепарации, дробят, дозируют желательно по массе, затем материал загружают в матрицу пресс-формы, к которой подключен генератор ультразвуковых колебаний, и производят основное технологическое воздействие (прессование при необходимом удельном усилии) совместно с наложением ультразвуковых колебаний соответствующих параметров.

Предлагаемый способ прошел экспериментальную проверку, примеры приведены ниже.

1. Пример для дисперсных материалов. На гидравлическом прессе усилием 1600 кН производили прессование брикетов из подготовленной (дробленой, сепарированной и дозированной) стружки меди с наложением ультразвуковых колебаний с частотой, соответствующей собственным колебаниям структурных частиц среды (стружки). Модулирование резонансных частот способствовало стабилизации и интенсификации процессов изготовления изделий. Удельное усилие прессования не превышало 480 мПа. Качество полученных изделий диаметром 65, высотой 80 мм определяли следующие параметры: плотность составляла до 0,99 и более от плотности компактного металла и была равномерной по высоте, отношение высоты изделия к диаметру составило 1,23, поверхность была чистой и гладкой, удельное усилие компактирования уменьшили в несколько раз по сравнению с прототипом. Так в изобретении, развивающем идеи прототипа (патент РФ №2171177, В28В 1/087, публ.2001 г.), указывается, что удельное усилие прессования по сравнению с классическим способом снижается в 3-5 раз. По нашим данным удельное усилие прессования аналогично снизилось в 4,6 раза, но такое сравнение некорректно, поскольку по классическому способу плотность изделия была получена до 0,8, а по предлагаемому - до 0,99 и выше. Поэтому удельное усилие прессования снизили многократно по сравнению с прототипом. Действие предлагаемого способа было проверено на различных материалах по виду и размерам их структурных частиц. Во всех случаях был получен указанный положительный эффект, в том числе плотность изделий превышала 0,92-0,99 от плотности компактного металла.

2. Пример для компактных металлов. Производили холодную объемную штамповку детали типа электрического контакта из проката меди марки M1 с размерами заготовки ⊘ 60×110 мм на гидравлическом прессе усилием 6300 кН в закрытом штампе с одновременным наложением ультразвуковых колебаний с частотой, пропорциональной частоте собственных колебаний структурных частиц материала (зерен). Модулирование резонансных частот способствовало стабилизации и интенсификации процесса изготовления изделий. Усилие штамповки снизили в 4,5 раза по сравнению с обычным способом при высоком качестве изделия, в том числе высокой точности размеров и низкой шероховатости поверхностей.

3. Пример для жидких кристаллизующихся материалов. Расплавленный сплав ЦАМ 4-1 заливали в металлическую изложницу и подвергали естественному охлаждению с одновременным наложением ультразвуковых колебаний с частотой, соответствующей собственной частоте структурных частиц металла (зерен заданной величины). Модулирование резонансных частот способствовало стабилизации и интенсификации процесса кристаллизации. Исследование микроструктуры образцов показало наличие плотной структуры с величиной зерен 8-9 балла по сравнению с 4-5 баллами по обычной технологии.

Подводя итоги сравнения предлагаемого изобретения и прототипа, можно отметить, что диапазон предлагаемых частот значительно выше по сравнению с 15-100 кГц по прототипу; колебания связаны только с частотой собственных колебаний прессуемых дисперсных частиц, а не с собственной частотой элементов оснастки и одних колебаний с другими; колебания непрерывны, хотя возможна подача отдельных пакетов колебаний по сравнению с отдельными импульсами по прототипу, частота которых пропорциональна опять же частоте одного из колебаний, прикладываемых к другому жесткому элементу; удельные усилия прессования многократно снижают, и они могут достигать до 400-700 мПа в зависимости от материала и размеров частиц вместо близкого "... по величине половине амплитудного значения акустического давления ... одного из колебаний ..." по прототипу; предлагаемый способ позволяет отказаться от пластификаторов; плотность прессовок или брикетов достигает до 0,92-0,99 и выше от плотности компактного материала при равномерной плотности по высоте изделия. Предлагаемый способ, в частности - изготовление при холодном прессовании с удельным усилием до 400-700 мПа прессовок или брикетов из порошка, не говоря уже о таких же изделиях из стружки и гранулята, плотностью до 0,92-0,99 и выше от плотности компактного материала при отношении высоты к поперечному размеру изделия до 1,3 и более и равномерной плотности по высоте доказан теоретически и экспериментально. При анализе технической и патентной литературы подобного результата нам обнаружить не удалось.

Считаем, что задача предлагаемого изобретения решена.

Изобретение относится к изготовлению изделий в условиях резонансных колебаний структурных частиц материала. В предложенном способе, включающем подготовку металла и воздействие на него механическими колебаниями ультразвуковой частоты для достижения резонанса, согласно изобретению, при прессовании или прокатке воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с частотами, соответствующими или пропорциональными собственной частоте колебаний дисперсных частиц металла до получения плотности изделий 0,92-0,99 и выше; при обработке давлением, волочении или резании воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с частотами, соответствующими или пропорциональными собственной частоте колебаний зерна или домена металла; при кристаллизации воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с частотами, соответствующими или пропорциональными собственной частоте колебаний кристаллизующихся зародышей или зерен металла, при этом при прессовании или прокатке подготовка металла включает промывку, дробление, дозирование, а при кристаллизации - выплавку и разливку металла в изложницу или литейную форму. Обеспечивается повышение качества, снижение затрат и повышение производительности процессов производства изделий. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления изделий в условиях резонансных колебаний структурных частиц металла, включающий подготовку металла и воздействие на него механическими колебаниями ультразвуковой частоты для достижения резонанса, отличающийся тем, что при прессовании или прокатке воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с частотами, соответствующими или пропорциональными собственной частоте колебаний дисперсных частиц металла до получения плотности изделий 0,92-0,99 и выше; при обработке давлением, волочении или резании воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с частотами, соответствующими или пропорциональными собственной частоте колебаний зерна или домена металла; при кристаллизации воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют с частотами, соответствующими или пропорциональными собственной частоте колебаний кристаллизующихся зародышей или зерен металла, при этом при прессовании или прокатке подготовка металла включает промывку, дробление, дозирование, а при кристаллизации - выплавку и разливку металла в изложницу или литейную форму.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при воздействии механическими колебаниями ультразвуковой частоты осуществляют модуляцию колебаний.