Способ динамической обработки материалов

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к упрочнению металлов пластическим деформированием. Образец размещают в оснастке и воздействием импульсных источников энергии разгоняют и продавливают через расположенные в оснастке под углом пересекающиеся каналы. В результате обеспечивается получение компактных высокоплотных материалов с объемной гомогенной ультразернистой структурой.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам упрочнения металлов в процессе обработки, и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и медицине, а также имеет перспективно-прикладное значение для многих отраслей промышленности в плане создания на основе ультрамелкозернистых материалов новых технологий, способов и устройств, обладающих повышенными и уникальными характеристиками: механическими, тепловыми, магнитными, оптическими, электрическими и др.

Известен способ динамического прессования изделий из порошка по а.с. №954187, МПК B 22 F 3/08, опубликованный 30.08.82 г., включающий уплотнение последнего в пресс-форме путем передачи давления с высокой скоростью на пуансон.

Недостатками известного технического решения являются низкая производительность процесса, его сложность в технологическом и аппаратурном выполнении, узкие технологические возможности способа, не позволяющие компактировать нанопорошки, высокая трудоемкость процесса.

Известен способ по пат. №2139164, МПК B 21 J 5/00, опубликованный 10.10.99 г., под названием «Способ деформирования заготовок в пересекающихся каналах», заключающийся в пластической деформации заготовок в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с подпором в последнем.

Недостатком этого способа является то, что он недостаточно производителен и требует металлоемкого прессового оборудования.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ динамической обработки материалов, описанный в книге «Высокоскоростное деформирование металлов» под ред. Шахназарова А.М., Москва, Машиностроение, 1966 г., стр.109-110, 114 рис.7.4, 119-121, включающий размещение образца в оснастке и продавливание его воздействием импульсных источников энергии.

Недостатками известного способа являются его трудоемкость, сложность в технологическом исполнении, низкая степень деформирования материалов, ограниченность по давлению прессового оборудования и его громоздкость, низкая производительность процесса, недостаточные технологические возможности, что не позволяет получать материалы с ультрамелкозернистой (нано)структурой, обладающие повышенными прочностными и другими уникальными характеристиками.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа динамической обработки материалов, обеспечивающего за счет больших, интенсивных пластических деформаций, происходящих с высокой скоростью, получение компактных, высокоплотных материалов с объемной гомогенной ультрамелкозернистой (нано)структурой, обладающих повышенной прочностью, а также сверхпластичным поведением при сравнительно низких начальных температурах.

Технический результат заключается в том, что после обработки материалов с использованием заявляемого изобретения они приобретают ультрамелкозернистую (нано)структуру за счет интенсивной пластической деформации при высокоскоростном нагружении образца при внешнем воздействии от импульсных источников (горение пороха, инициирование ВВ, электромагнитные пушки и т.д.), снижающей вероятность развития процесса зарождения и роста трещин в деформируемом материале за счет уменьшения времени воздействия напряжений на рабочий участок каналов (зона пересечения каналов), а это в свою очередь обеспечивает высокую производительность процесса деформации, снижение требований к прочности оснастки и ее габаритам.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе динамической обработки материалов, включающем размещение образца в оснастке и продавливание его воздействием импульсных источников энергии, разгон образца выполняют до продавливания, которое осуществляют через расположенные в оснастке под углом и пересекающиеся каналы.

Особенностью заявляемого изобретения является то, что при проведении заявителем анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения.

Был выявлен способ обработки материалов, описанный в статье Р.З.Валиева "Развитие равноканального углового прессования для получения ультрамелкозернистых металлов и сплавов", опубликованной в журнале "Металлы" №1, 2004 г., стр.15-21, включающий продавливание образца через каналы в оснастке, расположенные в ней под углом друг к другу и пересекающиеся. Каждый известный способ обработки материалов не позволяет самостоятельно решить поставленную задачу. И только в совокупности с остальными ограничительными и отличительными признаками предлагаемого изобретения возможно получение указанного технического результата и решение задачи по созданию способа динамической обработки материалов для получения материалов с объемной ультрамелкозернистой (нано)структурой с высокой прочностью и пластичностью.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии заявленного изобретения условию "изобретательский уровень".

Способ осуществляется следующим образом.

Обрабатываемый образец помещается во входной канал матрицы. С помощью продуктов взрыва ВВ или пороховых газов, воздействующих на прессующий пуансон, происходит разгон образца, а затем, за счет запасенной кинетической энергии, продавливание его через пересекающиеся каналы: из входного с разворотом в боковой. Процесс деформации образца длится всего несколько миллисекунд. Скорость деформации материала в ударных волнах и волнах разгрузки составляет ˜ 10³-10⁵c^-1.

Деформацию материала проводят несколькими проходами по каналам до получения равномерной ультрамелкозернистой размерности зерен. Для проведения повторного нагружения образец извлекают из выходного канала матрицы и вновь помещают в ее входной канал. Матрица выполнена составной из двух частей, что облегчает ее демонтаж и разборку. При специально подобранных скоростях образца, он проходит каналы, не деформируя матрицу, что позволяет автоматизировать процесс и резко повысить производительность.

Пример. В качестве импульсного источника энергии используется пороховая пушка. Медный образец, имеющий диаметр 14 мм и длину 65 мм, размещается на входе матрицы соосно ее входному каналу. К торцу образца соосно пристыковывается пушка с размещенным в ее стволе пуансоном так, что торец пуансона упирается в торец образца. По достижении заданного давления газа происходит срез фиксирующего пояска пуансона и осуществляется разгон пунсона и образца. К моменту подхода образца к пересечению каналов матрицы он приобретает скорость 230 м/с и продавливается в выходной канал, расположенный под углом 90° к входному, заполняя его. Матрица разбирается, и из нее извлекается образец. Описанный процесс повторяется от 4 до 16 раз до получения ультрамелкозернистой структуры материала.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении, при использовании изобретения, следующей совокупности условий: способ динамической обработки материалов, включающий в себя операции разгона и продавливания образца через пересекающиеся каналы матрицы, расположенные под углом, за счет энергии импульсных источников позволил добиться оптимальных условий, обеспечивших измельчение зерна материала при динамическом нагружении, получить ультрамелкозернистые образцы длиной в несколько раз больше, чем по традиционной технологии, которые в дальнейшем могут раскатываться в листовой материал; существенно расширить номенклатуру использования ультрамелкозернистых материалов; значительно снизить их стоимость, что позволяет способу приобрести промышленное значение; проводить компактацию исходно мелкозернистых и ультрамелкозернистых структурных порошков и получать на их основе крупногабаритные изделия.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа динамической обработки материалов и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Способ динамической обработки материалов, включающий размещение образца в оснастке и продавливание его воздействием импульсных источников энергии, отличающийся тем, что до продавливания образца производят его разгон воздействием импульсных источников энергии, а продавливание осуществляют через расположенные в оснастке под углом пересекающиеся каналы.