Способ изготовления микропроволоки из труднодеформируемых материалов

 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано в производстве микропроволоки из труднодеформируемых материалов. Задача изобретения - создание высокопроизводительной ресурсосберегающей технологии изготовления микропроволоки из труднодеформируемых материалов, например титана, при обеспечении требуемых свойств готовой продукции. Способ включает размещение обрабатываемого материала в чехлах, герметизацию очехленных заготовок с последующей их деформацией выдавливанием, прокаткой и волочением в условиях пластификации обрабатываемого материала. Из полученных после деформации плакированных прутков собирают композитные заготовки, которые деформируют до тех пор, пока их поперечное сечение не уменьшится до сечения исходных плакированных прутков, после чего из полученных композитных прутков собирают композитные заготовки, которые также деформируют. Цикл сборки композитных заготовок и их деформацию повторяют до тех пор, пока поперечное сечение жил обрабатываемого материала в композитной заготовке не достигнет размера микропроволоки, затем удаляют материал чехлов, разделяют жилы и калибруют до получения готовой микропроволоки. Прутки соединяют посредством продольного сращивания гальваническим путем. В чехлах вместе с обрабатываемым материалом размещают пластификатор, а после герметизации очехленных заготовок производят их гомогенизацию, последующее выдавливание осуществляют при температуре максимальной пластичности обрабатываемого материала. Для изготовления титановой микропроволоки в качестве материала использовали гранулированный Ti, а пластификатором служил гидрид Ti в количестве, обеспечивающем после гомогенизации концентрацию водорода в очехленной заготовке 1-2 мас.% от массы Тi, гомогенизацию проводят при 800-900°С, а деформацию выдавливанием осуществляют при 350-600°С. Изобретение позволяет сократить количество проходов волочения, увеличить выход годной продукции в 2,4 раза, повысить механические свойства микропроволоки, которая может быть получена диаметром 1 - 1000 мкм. Область применения: шовная нить в медицине, армирование стекол, изготовление фильтрующих элементов, композитных материалов. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в производстве микропроволоки из труднодеформируемых материалов, а именно металлов и сплавов с сильной окисляемостью при нагреве и склонных к налипанию на инструмент, например при изготовлении микропроволоки из сплавов титана, тантала, бериллия.

Известен способ изготовления проволоки из титановых сплавов, включающий литье слитков, двойной переплав, обточку слитков, нагрев и выдавливание, чистовую обточку заготовок, нагрев в защитной среде, горячую прокатку и волочение с промежуточными отжигами, очистку проволоки от смазки и окончательную термическую обработку (Александров В.К., и др. Полуфабрикаты из титановых сплавов. М., Металлургия, 1979, с. 183- 201).

Недостатками известного способа являются низкая производительность, высокая энергоемкость, низкое качество получаемой проволоки, а также неблагоприятный баланс металла, при котором в готовую продукцию переходит менее 25% исходного сырья.

Недостатки известного способа связаны со специфическими свойствами титановых сплавов: сильной окисляемостью и наводораживанием поверхностных слоев при операциях нагрева, склонностью к налипанию на инструмент и оснастку, низкой устойчивостью раската в калибрах прокатных станов.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления микропроволоки из труднодеформируемых материалов, в частности бериллия, включающий размещение обрабатываемого материала в чехлах, например никелевых, герметизацию очехленных заготовок с последующей их деформацией выдавливанием, прокаткой и волочением в условиях пластификации обрабатываемого материала, удаление материала чехлов и калибровку полученной микропроволоки. Для осуществления способа используют заготовки, прессованные из слитка, а пластификацию бериллия перед деформацией производят посредством отжига (Колпашников А.И., Мануйлов В.Ф., Ширяев Е.В. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами. М., Металлургия, 1974, с. 99-106).

Использование чехлов из пластичного металла защищает поверхностные слои заготовки от газонасыщения в процессе обработки, а также предотвращает налипание обрабатываемого материала на инструмент. Кроме того, улучшаются условия труда за счет исключения токсического воздействия бериллия при температурах обработки.

Однако неустойчивость процесса волочения и высокая обрывность, характерные для изготовления микропроволоки, обуславливают низкую производительность известного способа, а также низкий выход исходного сырья в годную продукцию, недостаточно высокие механические свойства микропроволоки.

Осуществление известного способа требует значительных энерго- и трудозатрат, так как получение микропроволоки достигается путем многократной деформации и отжигов. Большое число проходов волочения способствует интенсивному износу дорогостоящего формообразующего инструмента, что увеличивает его расход.

Высокий уровень затрат и низкая производительность известного способа приводит к недопустимо высокой стоимости микропроволоки, что ограничивает область ее применения.

Задачей изобретения является создание высокопроизводительной ресурсосберегающей технологии изготовления микропроволоки из труднодеформируемых материалов, например титана, при обеспечении требуемых механических свойств готовой продукции.

Технический результат, который может быть достигнут при использовании изобретения, заключается в сокращении количества проходов волочения, что обеспечит повышение производительности процесса и снижение затрат на его осуществление; а также увеличение выхода годной продукции и повышение механических свойств микропроволоки, в частности предела прочности и относительного удлинения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления микропроволоки из труднодеформируемых материалов, включающем размещение обрабатываемого материала в чехлах, герметизацию очехленных заготовок с последующей их деформацией выдавливанием, прокаткой и волочением в условиях пластификации обрабатываемого материала, удаление материала чехлов и калибровку полученной микропроволоки, согласно изобретению из полученных после деформации плакированных прутков собирают композитные заготовки, которые деформируют до тех пор, пока их поперечное сечение не уменьшится до сечения исходных плакированных прутков, после чего из полученных композитных прутков собирают композитные заготовки, которые также деформируют; цикл сборки композитных заготовок и их деформацию повторяют до тех пор, пока поперечное сечение жил обрабатываемого материала в композитной заготовке не достигнет размера микропроволоки, затем удаляют материал чехлов, разделяют жилы и калибруют до получения готовой микропроволоки.

Композитные заготовки собирают посредством укладки в пакет плакированных или композитных прутков с последующим продольным сращиванием их гальваническим путем.

Для пластификации обрабатываемого материала в чехлах вместе с материалом размещают пластификатор, а после герметизации очехленных заготовок производят их гомогенизацию, при этом последующую деформацию выдавливанием осуществляют при температуре максимальной пластичности обрабатываемого материала.

Для получения титановой микропроволоки в качестве обрабатываемого материала используют гранулированный титан, а в качестве пластификатора - гидрид титана в количестве, обеспечивающем после гомогенизации концентрацию водорода в очехленной заготовке, равную 1-2 мас.% от массы титана, гомогенизацию проводят при температуре 800-900^oC, а деформацию заготовок выдавливанием осуществляют при температуре 350-600^oC.

Предлагаемая совокупность технологических приемов позволяет значительно повысить производительность способа изготовления микропроволоки и снизить затраты на его осуществление. При этом увеличивается выход годной продукции и улучшаются механические свойства микропроволоки.

Многократное осуществление операций сборки композитных заготовок и их деформации до размера входящих в заготовку исходных прутков позволяет в геометрической прогрессии наращивать число жил обрабатываемого материала в композитной заготовке и, соответственно, уменьшать размер их сечения. Это сокращает количество проходов волочения с размера катанки до размера готовой продукции. Разделение многожильного композита на отдельные составляющие его жилы с последующей их калибровкой до получения готовой микропроволоки резко повышает производительность способа.

Использование композитной заготовки, в которой содержится множество жил пластифицированного материала, равномерно распределенных в пластичном материале матрицы, повышает устойчивость волочения и уменьшает обрывность жил обрабатываемого материала, что также благоприятно сказывается на производительности предлагаемого способа.

Сокращение количества проходов энерго- и трудоемкого волочения снижает энергетические затраты на изготовление микропроволоки, при этом пластификация исходного труднообрабатываемого материала уменьшает энергозатраты на преодоление сил трения при волочении, за счет чего снижается износ и расход твердосплавных и алмазных фильер.

Повышение выхода годной продукции достигается не только благодаря уменьшению обрывности жил при волочении, но и снижению потерь обрабатываемого материала вследствие сокращения числа деформаций.

Пластификация труднодеформируемого материала перед обработкой давлением обуславливает смягчение напряженного состояния жил в процессе деформации заготовок, что улучшает механические свойства готовой продукции, в частности повышает предел прочности и относительное удлинение микропроволоки.

Продольное сращивание плакированных или композитных прутков гальваническим путем обеспечивает одинаковые размеры жил обрабатываемого материала по сечению композитного прутка, что уменьшает разброс механических свойств готовой микропроволоки.

Достижение указанного технического результата возможно лишь при условии пластификации обрабатываемого материала, сочетающей действие гомогенизированного в заготовке пластификатора и температурного режима деформации. Предлагаемая комбинация приемов пластификации создает оптимальные условия для обработки труднодеформируемых материалов, например титана и его сплавов; улучшается обрабатываемость материала, снижаются усилия, необходимые для деформации, повышаются свойства готового продукта.

При изготовлении титановой микропроволоки из гранулированного титана использование гидрида титана позволяет осуществить водородное пластифицирование титановой заготовки. При этом деформация заготовок выдавливанием в интервале температур 350-600^oC обеспечивает эффект квазисверхпластичности наводороженного титана.

Выбор условий водородного пластифицирования титановых заготовок обусловлен следующим.

Повышение концентрации водорода в очехленной заготовке более 2.0 мас.% от массы титана и подъем температуры при выдавливании выше 600^oC увеличивает давление водорода в титане и нарушает ход технологических процессов. Отклонения за нижние пределы указанных параметров ведет к охрупчиванию обрабатываемого материала. Оптимальными являются концентрация водорода в титане 1.4 мас.% и температура деформации 450^oC, при этих условиях обеспечивается максимальная пластичность титана и его минимальное сопротивление деформации.

В интервале температур 800 - 950^oC происходит полное разложение гидрида титана и одновременное распределение водорода в титане при гомогенизации заготовок. При осуществлении гомогенизации при температурах ниже 800^oC гидрид титана не разлагается полностью, при температурах выше 950^oC оказывается неблагоприятное воздействие на материал чехлов, в результате чего происходит разгерметизация заготовок.

Способ по изобретению осуществляли следующим образом.

Для получения титановой микропроволоки в качестве обрабатываемого материала использовали титановые гранулы, которые предварительно отожгли в вакууме при температуре 800^oC, после чего смешали с пластификатором - порошком гидрида титана в соотношении, обеспечивающем после гомогенизации концентрацию водорода в заготовке 1 - 2 мас.%.

В выполненный из меди чехол с крышкой и патрубком для вакуумирования засыпали приготовленную смесь, крышку приваривали, заготовку вакуумировали и герметизировали. Герметизированную заготовку гомогенизировали отжигом при температуре 900^oC. Перед деформацией заготовку нагревали в муфельной электропечи до температуры 600^oC и осуществляли выдавливание титанового прутка, плакированного медью на гидравлическом прессе с вытяжкой 9 так, что в результате получили пруток диаметром 10 мм с плакирующим слоем 0.5 мм на сторону. Полученный пруток разрезали на мерные длины, после чего разрезанные части уложили по четыре штуки в пакеты и осуществили пайку торцев прутков в пакете и продольное сращивание медью остальных частей прутков, входящих в каждый пакет. Полученные композитные заготовки, имеющие поперечное сечение 20х20 мм, деформировали прокаткой в холодном состоянии на стане ДУО в вытяжных калибрах по системе круг - квадрат - круг до размера поперечного сечения исходных плакированных прутков. Из полученных 4-жильных композитных прутков вышеуказанным методом формировали композитные заготовки и повторили цикл прокатки, в результате чего были получены 16-жильные композитные прутки, состоящие из медной матрицы и титановых жил. Затем вновь собирали композитные заготовки и подвергали их деформации прокаткой до получения 64-жильной композитной катанки, которую подвергли дальнейшей деформации холодным осесимметричным волочением в режиме гидродинамического трения. При волочении частные вытяжки были 1.25; после суммарных вытяжек, равных 5, осуществляли отжиги проволоки при температуре 650^oC. В результате получили 64-жильную композитную проволоку диаметром 0.5 мм. Диаметр титановых жил в проволоке оказался равным 28 мкм. После волочения композитную проволоку промыли в воде для удаления с ее поверхности мыльной смазки, необходимой для реализации волочения в режиме гидродинамического трения. Из очищенной проволоки гальваническим путем удалили медь и разделили жилы титана, которые затем откалибровали волочением в алмазной фильере на размер 25 мкм. Полученную титановую микропроволоку подвергли дегидрированию посредством нагрева в вакууме при температуре 600 - 700^oC. Выход годной продукции в приведенном примере составил 60%. Титановая микропроволока диаметром 25 мкм имела следующие свойства: предел прочности - 350 - 400 МПа, относительное удлинение - 7%.

Для сравнения при получении титановой микропроволоки того же диаметра известным способом потребуется осуществить 44 прохода волочения, при этом выход годного составляет не более 25%. Предел прочности такой микропроволоки - 250 МПа, а относительное удлинение - 3%.

Производительность процесса в приведенном примере возросла по сравнению с известным способом в десятки раз.

Из приведенных данных видно, что предлагаемый способ значительно улучшает качество микропроволоки, повышает производительность технологического процесса и снижает затраты на его осуществление.

Способ по изобретению позволяет получать микропроволоку диаметром от 1 до 1000 мкм. Повышение эффективности технологии обеспечит снижение себестоимости микропроволоки из труднодеформируемых материалов, что расширит области ее применения. Титановая микропроволока, в частности, может быть использована в медицине в качестве шовной нити, а также для изготовления композитных материалов, фильтрующих элементов, для армирования стекол.

Формула изобретения

1. Способ изготовления микропроволоки из труднодеформируемых материалов, включающий размещение обрабатываемого материала в чехлах, герметизацию очехленных заготовок с последующей их деформацией выдавливанием, прокаткой и волочением в условиях пластификации обрабатываемого материала и калибровку полученной микропроволоки, отличающийся тем, что из полученных после деформации плакированных прутков собирают композитные заготовки, которые деформируют до тех пор, пока их поперечное сечение не уменьшится до сечения исходных плакированных прутков, после чего из полученных композитных прутков собирают композитные заготовки, которые также деформируют, цикл сборки композитных заготовок и их деформацию повторяют до тех пор, пока поперечное сечение жил обрабатываемого материала в композитной заготовке не достигнет размера микропроволоки, затем удаляют материал чехлов, разделяют жилы и калибруют до получения готовой микропроволоки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что композитные заготовки собирают посредством укладки в пакет плакированных или композитных прутков с последующим продольным сращиванием их гальваническим путем.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вместе с обрабатываемым материалом в чехлах размещают пластификатор, а после герметизации очехленных заготовок производят их гомогенизацию, при этом последующую деформацию выдавливанием осуществляют при температуре максимальной пластичности обрабатываемого материала.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве обрабатываемого материала используют гранулированный титан, а в качестве пластификатора - гидрид титана в количестве, обеспечивающем после гомогенизации концентрацию водорода в очехленной заготовке, равную 1-2 мас.% от массы титана, гомогенизацию проводят при температуре 800-900^oC, а деформацию заготовок выдавливанием осуществляют при температуре 350-600^oC.