Способ обработки заготовок из вольфрама

Изобретение относится к обработке труднодеформируемых жаропрочных металлов, в частности вольфрама, и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, двигателестроении для изготовления изделий, работающих в экстремальных температурных и силовых условиях. Способ включает нагрев заготовки и последующую ее деформацию в оболочке. Деформацию осуществляют в два этапа. Первый этап включает равноканальное угловое прессование за два прохода заготовки, нагретой до температуры 1200-1250°С, в штампе, нагретом до температуры 450-550°С. Второй этап включает равноканальное угловое прессование с противодавлением 400-600 МПа за 8-10 проходов заготовки, нагретой до температуры 900-1100°С. Затем заготовку подвергают постепенному охлаждению в среде, нагретой до температуры 500-600°С, до полного остывания. В результате обеспечивается улучшение физико-механических свойств заготовок из вольфрама за счет достижения ультрамелкозернистой структуры. 1 табл.

 

Изобретение относится к обработке труднодеформируемых жаропрочных металлов, в частности вольфрама, и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, двигателестроении для изготовления изделий, работающих в экстремальных температурных и силовых условиях.

Основной проблемой при обработке материалов из вольфрама является необходимость обеспечения высоких температур и защиты от окисления. При этом для обеспечения деформируемости материала требуется достижение его мелкозернистой структуры. Поэтому чаще всего обработку материалов на основе вольфрама осуществляют методами порошковой металлургии. Например, известен способ получения вольфрамового порошка заданной зернистости (заявка RU 2001125161, МПК В22F 9/22, опубл. 27.07.2003 г.).

Недостатком этих методов является недостаточная плотность (наличие пористости) материала заготовки, в результате чего показатели прочности и пластичности хуже, чем у литой заготовки.

Наиболее близким к предложенному способу является прямое прессование заготовок на основе вольфрама с использованием оболочек, которые способствуют повышению пластичности обрабатываемого материала и облегчают протекание процесса (Л.Н.Могучий. Обработка давлением труднодеформируемых материалов. М.: Машиностроение, 1996 г., с.165, 209-214).

Однако известный способ обработки не обеспечивает наибольшую прочность и пластичность заготовок ввиду невозможности достижения мелкозернистой структуры материала с величиной зерна ≤10 мкм.

Задачей изобретения является улучшение физико-механических свойств заготовок из вольфрама за счет достижения ультрамелкозернистой структуры.

Поставленная задача решается способом обработки заготовок из вольфрама, включающим нагрев заготовки и последующую ее деформацию в оболочке, в котором в отличие от прототипа деформацию осуществляют в два этапа, причем первый этап включает равноканальное угловое прессование за два прохода заготовки, нагретой до температуры 1200-1250°С, в штампе, нагретом до температуры 450-550°С, а второй этап включает равноканальное угловое прессование с противодавлением 40-60 кг/мм² за 8-10 проходов заготовки, нагретой до температуры 900-1100°С, после чего заготовку подвергают постепенному охлаждению в среде, нагретой до температуры 500-600°С, до полного остывания.

Осуществление двухэтапного процесса деформации позволяет благодаря предварительной термомеханической обработки заготовки готовить ее структуру для основной обработки на втором этапе. То есть на первом этапе производят дробление исходной литой столбчатой структуры заготовки для снижения усилия прессования на втором этапе. При этом для обеспечения интенсивной пластической деформации в материале заготовки обработка осуществляется методом равноканального углового прессования (РКУП).

Известно использование РКУП для достижения высоких пластических деформаций с целью улучшения механических характеристик и качества обрабатываемых заготовок (патент RU 2188091, МПК В21С 25/00, опубл. 27.08.2002 г.).

Известен способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок путем деформационно-термической обработки с использованием РКУП (патент RU 2175685, МПК С22F 1/18, опубл. 10.11.2001 г.).

Особенности использования РКУП для обработки заготовок из вольфрама связаны с высокой жаропрочностью и труднодеформируемостью данного материала. Именно в предложенной совокупности существенных признаков изобретения удается сформировать в результате многопроходной обработки при определенных температурах заготовки и инструмента особую структуру материала, обеспечивающую ему высокую прочность и пластичность при незначительном уменьшении упругости.

Способ осуществляют следующим образом.

Заготовку из вольфрама диаметром 20 мм, длиной 130 мм шлифуют для удаления дефектного слоя с целью увеличения выхода после обработки бездефектных заготовок. Заготовку нагревают до 1200-1250°С и подвергают РКУП в непрерывном режиме в два этапа на штампе с диаметром пересекающихся каналов 20 мм и углом между ними 120°. Штамп предварительно нагревают до 450-550°С. Данная температура выбрана исходя из обеспечения высокой стойкости инструмента. При обработке используют оболочку, например из стали 12Х18Н10Т, в которую помещают заготовку перед нагревом и деформацией. Толщина оболочки 2 мм.

Затем осуществляют второй этап обработки, приближенный к схеме всестороннего объемного сжатия за счет создания противодавления 400-600 МПа. Температуру нагрева заготовки снижают до 900-1100°С. Это позволяет достичь более мелкозернистой структуры материала заготовки при ее обработке. Обработку на этом этапе осуществляют в 8-10 проходов. При таком режиме обработки происходит измельчение зерна до 1 мкм.

После проведения полного цикла деформации заготовку охлаждают в среде, например сухой окиси магния, предварительно нагретой до температуры 500-600°С. Медленное охлаждение необходимо для снятия внутренних напряжений в материале заготовки.

Для проведения металлографических исследований и механических испытаний из обработанных по предложенному способу заготовок вырезали образцы. Результаты исследований приведены в таблице. Значения показателей получены при температуре 1000°С.

Состояние	σв, МПа	δ, %	Е, 10-4 МПа	⊘ зерна, мкм
Исходное	600	10	37	80
После РКУП	1100	40	33	1
После прямого прессования по прототипу	800	30	35	10

Из приведенных данных следует, что обработка заготовок из вольфрама по предложенному способу позволяет по сравнению с прототипом значительно увеличить величину предела прочности σ_в, относительного удлинения δ при незначительном уменьшении значения упругости Е, что достигается в результате существенного измельчения зерна в структуре обрабатываемого материала до 1 мкм относительно исходной структуры до обработки с размером зерна 80 мкм.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет улучшить физико-механические свойства заготовок из вольфрама.

Способ обработки заготовок из вольфрама, включающий нагрев заготовки и последующую ее деформацию в оболочке, отличающийся тем, что деформацию осуществляют в два этапа, причем первый этап включает равноканальное угловое прессование за два прохода заготовки, нагретой до температуры 1200-1250°С, в штампе, нагретом до температуры 450-550°С, а второй этап включает равноканальное угловое прессование с противодавлением 400-600 МПа за 8-10 проходов заготовки, нагретой до температуры 900-1100°С, после чего заготовку подвергают постепенному охлаждению в среде, нагретой до температуры 500-600°С, до полного остывания.