Способ механической обработки давлением металлов и полупроводников с применением электропластического эффекта


 

B21B1 - Способы и устройства для прокатки листового или профильного металла (B21B 17/00-B21B 23/00 имеют преимущество; прокатка с учетом состава материалов, подлежащих прокатке B21B 3/00; прокатка материалов неограниченной длины B21B 5/00; клети прокатных станов B21B 13/00; непрерывное литье в литейные формы с подвижными стенками B22D 11/06); линии прокатных станов; установка прокатных станов, например размещение клетей станов; сочетание последовательного или секционного расположения ручьев в прокатных станах

Владельцы патента RU 2432216:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к способам обработки давлением твердых материалов - металлов и полупроводников, в частности прокатке, штамповке, волочению и плющению. Способ включает механическую обработку давлением с одновременным приложением импульсного электрического поля для пластификации и снижения сопротивления материала деформированию, при этом к заготовке прикладывают короткие импульсы электрического поля с длительностью порядка диэлектрического максвелловского времени релаксации, определяемой формулой Θmoερ/4π, где εo - диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85418×10-14 (А·сек/В·см), ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, ρ - удельное сопротивление материала (Ом·см), а значения напряженности электрического поля составляют от десятков до сотен В/см. Это вызывает поляризацию дислокаций в поверхностных и приповерхностных слоях обрабатываемого материала и их ориентацию по направлению линий электрического поля. В результате достигается эффект электропластификации, уменьшается сопротивление материала и снижаются затраты энергии на процесс механической обработки. 1 ил.

 

Изобретение относится к способам обработки давлением твердых материалов - металлов и полупроводников, включающим механическую обработку давлением с одновременным приложением импульсного электрического поля.

Существует несколько видов обработки металлов и полупроводников на основе процесса давления - прокатка, штамповка, волочение и плющение, где для повышения производительности и качества обработки может быть использован электропластический эффект (ЭПЭ) (О.А.Троицкий, Ю.В.Баранов, Ю.С.Авраамов, А.Д.Шляпин. Физические основы и технологии обработки современных материалов, том 1 и том 2. - Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2004 г. [1]). ЭПЭ является сложным процессом нетеплового происхождения.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ обработки металлов по патенту России №2005127525, кл. В21В 1/100, публикация 10.04.2007 г. [2]), где ЭПЭ достигается за счет того, что в область механической обработки подаются мощные короткие (100-150 мкс) импульсы тока плотностью 350000-1000000 А/см2. В результате повышается пластичность металла, снижается сопротивление металла деформированию, повышаются производительность и качество обработки.

Этот процесс положительно показал себя как для традиционных широко применяемых металлов: сталь, медь, алюминий, так и для относительно редко используемых и тугоплавких металлов: цирконий, вольфрам, молибден.

Недостатком данного способа являются относительно большие плотности тока, что требует существенных затрат электроэнергии и ограничивает размеры прокатных полос (толщина и ширина) и диаметр получаемой проволоки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является существенное снижение затрат электроэнергии на процесс.

Для этого в способе обработки давлением (прокатка, волочение, штамповка и плющение) металлов и полупроводников, включающем механическую обработку с одновременным приложением импульсов электрического поля для пластификации и снижения сопротивления материала деформированию, согласно предложенному изобретению к заготовке прикладывают импульсы электрического поля (напряженности) с длительностью порядка диэлектрического (максвелловского) времени релаксации Θm [сек], которое описывается формулой:

Θmoερ/4π,

где εo - диэлектрическая проницаемость вакуума, постоянная, равная

8,854·10-14 [Ф/см]=8,85418·10-14 [А·сек/В·см];

ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, безразмерная величина;

ρ - удельное сопротивление материала [Ом·см],

а значения напряженности электрического поля составляют от десятков до сотен В/см.

В основе предлагаемого способа лежит один из факторов процесса электропластической деформации, а именно смещение дислокаций под влиянием электрического поля. Дислокация - область кристаллической решетки с нарушением порядка расположения атомов. Если в результате воздействия электрического поля дислокации будут располагаться вдоль направления обработки, то это будет приводить к снижению механических усилий на реализацию процесса. Из нескольких видов дислокаций нас будут интересовать поверхностные дислокации, образующиеся в месте выхода кристаллической решетки материала на поверхность, а также объемные дислокации в приповерхностном слое, оказывающие непосредственное влияние на процесс обработки. Общим для этих дислокаций является то, что они представляют собой цепочки атомов или молекул с оборванными ковалентными связями, которые окружены свободными электронами, так что выполняется условие электронейтральности.

Время максвелловской релаксации определяет время установления зарядовой нейтральности в материале, если она каким-либо способом была нарушена, например при приложении скачка электрического поля.

При приложении электрического поля существует короткий промежуток времени, в течение которого дислокации лишаются облака, состоящего из свободных электронов, и представляют цепочку положительно ионизированных атомов или молекул, как бы закрепленную стопором, вокруг которого под действием электрического поля они могут перестраиваться, стремясь занять место вдоль силовых линий электрического поля. В идеале можно представить такой процесс, в течение которого на материал в месте обработки действует короткий импульс электрического поля (напряженности), причем длительность этого импульса не превышает Θm.

Время Θm зависит от свойств материала. Например, для полупроводников, где концентрация электронов в условиях термодинамического равновесия nno может изменяться в пределах (1·1011-1·1020) см-3, Θm изменяется в пределах (0,63·10-6-0,63·10-15) сек (Ю.Р.Носов. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. - М., Наука, 1968. [3]). В металлах, где nno достигает 1022 см-3, Θm имеет значения на несколько порядков меньше.

Возможно комбинированное воздействие на дислокации двух факторов: электрического поля в течение максвелловской релаксации и электрического поля, создаваемого потоком электронов, как описано в [2] - «электронным ветром», когда длительность импульса напряженности превышает значение Θm. Отличие от [2] в предлагаемом варианте заключается в том, что последнем случае эффект «электронного ветра» используется как дополнительный фактор, и нет необходимости создавать высокие плотности тока, как в случае [2].

Выше был рассмотрен вариант положительно заряженных дислокаций, скомпенсированных электронами. Возможен и другой вариант, когда дислокации являются отрицательно заряженными объектами, которые компенсируются положительно заряженными частицами, величина заряда которых равна величине заряда электрона, дырками. В этом случае более эффективно будет действовать электрическое поле противоположного знака.

На чертеже представлены формы напряженности электрического поля и соответствующие формы плотности тока.

Как видно из чертежа, заметный ток появляется только после окончания времени релаксации, в режиме, когда длительность импульса превышает Θm (показано пунктиром).

Следовательно, если на материал в месте механической обработки действуют короткие импульсы электрического поля (напряженности), длительность которых меньше или равна Θm, расход тока и соответственно электроэнергии для достижения электропластической деформации несравнимо меньше, чем в способе-прототипе [2].

Значение требуемой напряженности электрического поля Е [В/см] рассчитывается исходя из требования, чтобы потенциал электрического воздействия на дислокацию E·d (падение напряжения), где d [см] - длина дислокации, был много больше, чем тепловой потенциал φт [В]:

E·d>>φт.

Тепловой потенциал определяется как

φт=kT/q,

где k - постоянная Больцмана, равная 1,38066·10-23 [Дж/K];

Т - абсолютная температура [K];

q - заряд электрона, постоянная, равная 1,60218·10-19 [Кл].

При комнатной температуре (25°С) φт имеет значение 0,026 В.

Для десятикратного превосходства электрического воздействия над тепловым получаем условие:

Е=10φт/d

Для дислокаций с длиной d=100 мкм (10-2 см) получаем Е=26 В/см.

Для дислокаций длиной d=10 мкм (10-3 см) из того же условия получаем Е=260 В/см.

Таким образом, для эффективного воздействия на дислокации достаточна напряженность электрического поля от десятков до сотен В/см при длительности импульсов порядка максвелловского времени релаксации.

Пример реализации.

В качестве примера рассмотрим штамповку молибденовых дисков диаметром 32 мм (используются для контактных прокладок силовых тиристоров) из молибденовой полосы толщиной 0,3 мм. Для пластификации материала используется приложение импульсного напряжения с амплитудой 380 В с двух сторон полосы с помощью прижимов на расстоянии 10 см. Длительность импульсов 100 нс, частота приложения 1 МГц. Ток ограничивается внешним сопротивлением. Эффект состоит в улучшении качества краев дисков (уменьшение количества и размеров расслоений, сколов, заусенцев).

Литература

1. О.А.Троицкий, Ю.В.Баранов, Ю.С.Авраамов, А.Д.Шляпин. Физические основы и технологии обработки современных материалов, том 1 и том 2. - Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2004 г.

2. Патент России №2005127525, кл. В21В 1/100, опубл. 10.04.2007 г.

3. Ю.Р.Носов. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. - М., Наука, 1968.

Способ обработки давлением металлов и полупроводников, включающий механическую обработку заготовки с одновременным приложением импульсного электрического поля для пластификации и снижения сопротивления материала деформированию, отличающийся тем, что прикладывают импульсы электрического поля с длительностью импульсов Θm порядка максвелловского времени релаксации, равной:
Θmоερ/4π,
где εo - диэлектрическая проницаемость вакуума,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала,
ρ - удельное сопротивление материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области черной металлургии. .

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способам нагрева заготовок из сталей различного химического состава на сортовых и проволочных станах.

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а точнее к конструкции трехвалковой клети продольной прокатки, и может быть использовано в калибровочных и других станах с трехвалковыми клетями.

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а точнее к конструкции клети продольной прокатки, и может быть использовано в калибровочных, редукционных и других станах с трехвалковыми клетями.
Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных полос, преимущественно из трубных марок стали класса прочности Х65.

Изобретение относится к обработке порошкообразных материалов давлением, в частности к устройствам для получения проволоки и профилей методом непрерывного прессования из некомпактных металлических материалов, таких как стружка, порошок, гранулы.

Изобретение относится к металлургии, в частности к совмещенному процессу непрерывной разливки и прокатки металла. .

Изобретение относится к способу горячей прокатки и термообработки стальной полосы. .

Изобретение относится к прокатному производству, конкретнее к конструкциям клетей кварто для горячей и холодной листовой прокатки. .

Изобретение относится к области сортовой прокатки и может быть реализовано при производстве железнодорожных рельсов на непрерывно-реверсивных рельсобалочных станах.
Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при горячей прокатке низкоуглеродистой полосовой стали

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при холодной прокатке полосовой стали, преимущественно автомобильной, на непрерывных станах

Изобретение относится к металлургии, а именно к непрерывной разливке металлов, и может быть использовано при производстве блюмов, слябов и сортовых заготовок на вновь сооружаемых или реконструируемых литейно-прокатных комплексах (ЛПК), имеющих в своем составе машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и прокатный стан

Изобретение относится к области трубопрокатного производства и наиболее эффективно может быть использовано при производстве высокоточных труб на станах поперечно-винтовой прокатки с четырехвалковыми клетями и касается также перевалки четырехвалковых клетей

Изобретение относится к способу и непрерывному оправочному стану для изготовления бесшовной трубы

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления зеркальных металлических листов с наивысшей степенью чистоты поверхности

Изобретение относится к способу получения полосы из стали, в котором сначала в разливочной машине отливают сляб, который затем в, по меньшей мере, одном прокатном стане прокатывают в полосу, причем прокатный стан содержит ряд прокатных клетей

Изобретение относится к способу получения полос из кремнистой стали, в частности из кремнистой стали с ориентированной зернистой структурой, а также из многофазной стали

Изобретение относится к способу определения усилия прокатки в прокатной клети и к прокатной клети

Изобретение относится к способу и устройству стыкового соединения лазерной сваркой полос (В) листового проката
Наверх