Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2464116

(19)

RU

(11)

2464116

(13)

C1

(51) МПК B21B3/00 (2006.01)

C22F1/18 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 17.10.2012 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011109717/02, 15.03.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

15.03.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 15.03.2011

(45) Опубликовано: 20.10.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: SU 2383632 C2, 10.03.2010. RU 2383654 C1, 10.03.2010. RU 2318914 C1, 10.03.2008. RU 2164180 C2, 20.03.2001. US 4581077 A, 08.04.1986. US 5400633 A, 28.03.1995.

Адрес для переписки:

634021, г.Томск, пр. Академический, 2/4, ИФПМ СО РАН, патентный отдел

(72) Автор(ы):

Дударев Евгений Федорович (RU),

Табаченко Анатолий Никитович (RU),

Скосырский Анатолий Брониславович (RU),

Марцунова Лидия Сергеевна (RU),

Бакач Галина Павловна (RU),

Почивалова Галина Прокофьевна (RU),

Кудрявцев Василий Алексеевич (RU),

Кашин Олег Александрович (RU),

Лотков Александр Иванович (RU),

Каминский Петр Петрович (RU),

Кашина Ольга Николаевна (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет" (ГОУ ВПО ТГУ) (RU),

Учреждение Российской академии наук Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН) (RU)

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ ПРУТКОВ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для повышения выхода годного при изготовлении полуфабрикатов из титана. Способ включает поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках методом авс-прессования и последующую многопроходную прокатку в ручьевых валках со ступенчато уменьшающимся сечением ручья в каждом цикле прокатки при фиксированной температуре нагрева заготовки под прокатку. Повышение уровня физико-механических свойств изделий обеспечивается за счет того, что поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках методом авс-прессования осуществляют при ступенчатом понижении температуры в интервале 750-500°C, на этапе авс-прессования титановые заготовки могут быть подвергнуты рекристаллизационному отжигу при температуре 680-700°C в течение 1 часа. Прокатку в ручьевых валках ведут при понижении температуры нагрева заготовки под прокатку на 40-60°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°C до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование конечного круглого сечения прутка. Количество сечений ручьев выбирают таким образом, чтобы при переходе от одного ручья к другому степень обжатия не превышала 40%. Прокатку в ручьевых валках ведут в несколько проходов, поворачивая при этом заготовку на 90° вокруг продольной оси при каждом проходе. Получают титановые прутки круглого сечения диаметром 4-8 мм из титана технической чистоты. 5 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

Изобретение относится к деформационно-термической обработке с изменением физико-механических свойств металла и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана.

Известны способ формирования ультрамелкозернистой структуры в металлической заготовке и устройство для его осуществления (патент РФ 2341350, B21J 13/02, 5/00; C21D 7/00; C22F 1/00, опубл. 20.12.2008). Изобретение относится к деформационно-термической обработке. Формирование ультрамелкозернистой структуры в металлической заготовке путем ее деформационной обработки с подпором включает поэтапное сжатие заготовки вертикально сжимающим пуансоном в пресс-форме, содержащей матрицу, снизу ограниченную плоским дном, с полостью для размещения в ней заготовки и предназначенной для обработки заготовки в трех ортогональных направлениях с обеспечением пластического течения материала заготовки по направлениям, не совпадающим с направлением сжимающего усилия. На каждом этапе деформационной обработки заготовку размещают в полости матрицы, сжимают и извлекают деформированную заготовку из полости матрицы. Перед размещением заготовки в полости матрицы производят заполнение нижней части полости матрицы засыпкой из тугоплавкого порошка на 0,1-0,5 сжимаемой высоты заготовки, затем заготовку помещают на засыпку, заполняют засыпкой свободное пространство, образованное между двумя парами ползунов и заготовкой до уровня, превышающего верхнюю точку заготовки на 0,1-0,5 ее сжимаемой высоты, вставляют в матрицу пуансон, перемещают его до обеспечения сжатия заготовки на 10-60% ее высоты. Этапы деформационной обработки заготовки повторяют, меняя направления ее деформации, до формирования ультрамелкозернистой структуры по всему объему заготовки.

Недостатком известного способа является низкая производительность, связанная с многократным заполнением полости матрицы засыпкой и последующим ее извлечением из полости матрицы, а также наличие засыпки как расходного материала, приводящего к удорожанию способа. Кроме того, известный способ не позволяет получать максимально достижимые физико-механические характеристики.

Известен способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок (патент РФ 2175685, C22F 1/18, B21J 5/00, опубл. 10.11.2001).

Изобретение относится к деформационно-термической обработке с изменением физико-механических свойств металла и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана. Сущность способа состоит в следующем: проводят пластическую деформацию заготовки в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах при понижении температуры в интервале 500-250°C с накопленной логарифмической степенью деформации e 4, после чего осуществляют термомеханическую обработку чередованием холодной деформации со степенью 30-90% с промежуточным и окончательным отжигом в интервале температур 250-500°C в течение 0,5-2 ч. Техническим результатом изобретения является улучшение механических свойств обрабатываемого материала путем повышения прочности и усталостных характеристик при сохранении пластичности. Сочетание интенсивной пластической деформации и последующей термомеханической обработки в указанных режимах позволяет сформировать в материале термически стабильную ультрамелкозернистую структуру с размером зерен не более 0,1 мкм, при этом повышаются уровень прочности на растяжение и усталостная прочность.

Известный способ позволяет получать за счет интенсивной пластической деформации и последующей термомеханической обработки ультрамелкозернистую структуру обрабатываемого материала с размером зерен около 0,1 мкм, что повышает прочностные и усталостные характеристики. Однако прокатка при комнатной температуре требует очень малого обжатия за один проход для обеспечения приемлемого уровня выхода годного, что увеличивает продолжительность технологического процесса и удорожает конечную продукцию.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является способ получения заготовок шестигранной формы с нанокристаллической структурой и устройство для деформационной обработки при осуществлении этого способа (патент РФ 2383632, C21D 7/10, C22F 1/00, B21J 5/00, 13/02, B82B 3/00, опубл. 10.03.2010).

Изобретение относится к способам деформационно-термической обработки металлов давлением и может быть использовано при получении заготовок шестигранной формы с высоким уровнем физико-механических свойств. Исходную заготовку подвергают последовательной по циклам деформационной обработке и последующей многоходовой прокатке на прокатном стане при комнатной температуре. Каждый цикл деформационной обработки включает размещение заготовки в полости устройства, деформирование, извлечение из указанной полости и переустановку для следующего цикла путем поворота на 90°. Полость имеет пересекающиеся верхнюю вертикальную и нижнюю горизонтальную части. Деформирование производят путем сжатия заготовки по высоте в частях полости с обеспечением пластического течения материала заготовки в двух противоположных направлениях. При этом ограничивают деформацию заготовки стенками нижней горизонтальной части полости. Указанная часть имеет закругленные сверху боковые торцы и два расположенных сверху подпора клиновидной формы. Площади входных поперечных сечений нижней горизонтальной части полости на 3-20% меньше площади поперечного сечения верхней вертикальной части. В результате обеспечивается получение заготовок с однородной структурой во всем объеме. Известный способ позволяет получать за счет интенсивной пластической деформации и последующей термомеханической обработки прутки из титана с ультрамелкозернистой структурой, что обеспечивает высокие прочностные характеристики. Однако выход годного продукта в рамках данной технологии не превышает 60÷70%, что приводит к большому количеству отходов и существенно удорожает конечную цену продукции.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения высокопрочных титановых прутков круглого сечения с ультрамелкозернистой структурой. При реализации предлагаемого изобретения достигается повышение выхода годного высокопрочных титановых прутков с ультрамелкозернистой структурой диаметром 4-8 мм с высоким уровнем физико-механических свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения высокопрочных титановых прутков круглого сечения с ультрамелкозернистой структурой включает поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках методом авс-прессования и последующую многопроходную прокатку в ручьевых валках со ступенчато уменьшающимся сечением ручья в каждом цикле прокатки при фиксированной температуре нагрева заготовки под прокатку.

Поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках методом авс-прессования осуществляют при ступенчатом понижении температуры в интервале 750-500°C.

На этапе авс-прессования титановые заготовки могут быть подвергнуты рекристаллизационному отжигу при температуре 680-700°C в течение 1 часа.

Прокатку в ручьевых валках ведут при понижении температуры нагрева заготовки под прокатку на 40-60°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°C до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование конечного круглого сечения прутка.

Количество сечений ручьев выбирают таким образом, чтобы при переходе от одного ручья к другому степень обжатия не превышала 40%.

Прокатку в ручьевых валках ведут в несколько проходов, поворачивая при этом заготовку на 90° вокруг продольной оси при каждом проходе.

Получают титановые прутки круглого сечения диаметром 4-8 мм из титана технической чистоты.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение выхода годного при производстве из титана технической чистоты высокопрочных прутков с ультрамелкозернистой структурой.

Поставленная задача достигается при реализации предлагаемого способа, который включает поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках с использованием метода авс-прессования и многопроходной прокатки в ручьевых валках со ступенчато уменьшающимся сечением ручья в каждом цикле прокатки при фиксированной температуре нагрева заготовки под прокатку. В отличие от прототипа, прокатку в ручьевых валках проводят не при постоянной температуре (комнатной), а со ступенчатым понижением температуры нагрева заготовки под прокатку на 40-60°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°C до температуры 300°C при заданном конечном сечении прутка.

На первом этапе технологического цикла (предварительного измельчения зеренной структуры титановой заготовки), то есть при авс-прессовании со ступенчатым понижением температуры от 750 до 500°C, в материале происходит уменьшение среднего размера зерен. На следующем этапе ведут многопроходную прокатку в ручьевых валках, ступенчато снижая сечение ручья. В прототипе прокатку в ручьевых валках ведут при фиксированной (комнатной) температуре. При этой температуре прокатки зерна эффективно измельчаются, что приводит к дополнительному повышению прочностных характеристик. Однако прокатка в ручьевых валках при комнатной температуре приводит к резко неоднородной деформации материала по сечению прутка: в приповерхностных слоях деформация намного больше, что обеспечивает высокий наклеп этих слоев и их частичное отслоение. Используемые в некоторых случаях последующие отжиги не устраняют эти дефекты. Наличие поверхностных дефектов приводит к тому, что выход годного составляет 60÷70%. Чтобы избежать формирования поверхностных дефектов, сохранив при этом высокие прочностные свойства прутков, по настоящему изобретению прокатку в ручьевых валках ведут со ступенчатым понижением температуры нагрева заготовки под прокатку на 40-60°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°С до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование конечного круглого сечения прутка диаметром 4-8 мм.

Температура 500°C на конечном этапе авс-прессования выбрана исходя из того, что при более низких температурах авс-прессование приходится вести с очень малой осадкой в каждом цикле, чтобы избежать разрушения заготовки. В этом случае технологический процесс становится более затратным. Прокатка в ручьевых валках в интервале температур 500-300°C обеспечивает постепенное измельчение зерен при каждом изотермическом цикле, что, в свою очередь, уменьшает неоднородность деформации по сечению прутка. Конечная температура прокатки 300°C, с одной стороны, еще достаточна для протекания процессов возврата (динамической и метадинамической рекристаллизации), что снижает вероятность появления поверхностных дефектов, а, с другой стороны, при этой температуре не происходит роста зерен, и формирующаяся ультрамелкозернистая структура обеспечивает необходимый уровень прочностных свойств.

Способ осуществляют следующим образом.

В зависимости от заданных геометрических параметров (диаметра и длины прутка), необходимого уровня прочностных свойств и микроструктуры исходного сырья (титановой заготовки) выбирают наиболее оптимальную технологическую схему (если исходная заготовка в состоянии заводской поставки имеет мелкозернистую структуру с размером зерен 1-5 мкм, то этап авс-прессования можно существенно сократить). Титановую заготовку подвергают интенсивной пластической деформации методом авс-прессования при ступенчатом понижении температуры в интервале 750-500°C. На конечном этапе авс-прессования при температуре 500°C формируют заготовку, которая по своим геометрическим размерам может быть подвергнута прокатке в ручьевых валках. Прокатку в ручьевых валках начинают при подогреве заготовки до 500°C, причем для обеспечения хорошей проработки материала по всему сечению заготовки прокатку ведут в несколько проходов, поворачивая при этом заготовку на 90° вокруг своей оси при каждом проходе. Затем переходят к прокатке в ручье меньшего сечения, снижая при этом температуру подогрева заготовки при прокатке. Количество ручьев выбирают таким образом, чтобы при переходе от одного ручья к другому степень обжатия не превышала 40% для предотвращения разрушения заготовки.

После выполнения описанных выше процедур проводят визуальный и инструментальный контроль качества поверхности прутка и определяют механические свойства.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

Для изготовления прутков диаметром 6 мм с ультрамелкозернистой структурой использовали слитки титана ВТ1-0 со средним размером зерен 400 мкм. Из исходного слитка вырезали заготовку в виде параллелепипеда. Заготовку нагревали до 750°C и помещали в пресс-форму, в которой сжатие сопровождалось растяжением в одном направлении. Проводили авс-прессование с осадкой на одну сторону примерно 40%, то есть нагрев и прессование проводили 3 раза. После этого температуру прессования понижали до 650°C и осуществляли два перехода трехстороннего ортогонального прессования с суммарной степенью осадки около 240%. Затем проводили рекристаллизационный отжиг при 700°C 1 час. После такой механотермической обработки размер зерен уменьшился примерно на порядок. Для дальнейшего измельчения зерен проводили авс-прессование последовательно при 600, 550 и 500°C. При 600 и 550°C прессование осуществляли в два перехода, а при 500°C - в три перехода, то есть нагрев и прессование проводили соответственно 6 и 9 раз. При понижении температуры прессования степень пластической деформации за один переход понижалась со ~120% до ~100%. После этого проводили вытяжку в пруток квадратного сечения примерно 15×15 мм путем дробного двустороннего прессования при 500°C с суммарным удлинением ~100%. Затем полученную заготовку в виде прутка квадратного сечения прокатывали в ручьевых валках по следующему режиму:

- нагрев заготовок до температуры 500°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали 25 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси;

- нагрев прутка до температуры 460°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали 20 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси;

- нагрев прутка до температуры 420°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали ручья 17 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси;

- нагрев прутка до температуры 380°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали ручья 14 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси;

- нагрев прутка до температуры 340°C; четырехкратная прокатка в ручьевом валке с квадратным сечением ручья при диагонали ручья 11,5 мм; нагрев проводится один раз, прокатка - 4 раза с поворотом прутка на 90° вокруг продольной оси.

Дальнейшая теплая прокатка в пруток производится в ручьевых валках с круглым сечением ручьев по следующей схеме:

- нагрев прутка до температуры 300°C; многократная прокатка в ручье диаметром 10 мм, после каждых 4-х проходов нагрев прутка до 300°C; нагрев и последующая прокатка повторяются 3 раза;

- нагрев прутка до температуры 300°C; многократная прокатка в ручье диаметром 8 мм, после каждых 4-х проходов нагрев прутка до 300°С, нагрев и последующая прокатка повторяются 4 раза;

- нагрев прутка до температуры 300°С; многократная прокатка в ручье диаметром 6,5 мм, после каждых 4-х проходов нагрев прутка до 300°С, нагрев и последующая прокатка повторяются 5 раз;

- нагрев прутка до температуры 300°С, многократная прокатка в ручье диаметром 6 мм, после каждых 4-х проходов нагрев прутка до 300°С, нагрев и последующая прокатка повторяются 5 раз.

Свойства полученного по описанному технологическому режиму прутка приведены в таблице 1. Видно, что прочностные характеристики этого прутка (строка 4) не уступают таковым для прутков, полученных ручьевой прокаткой при фиксированной температуре (строка 3), в то время как выход годного по предлагаемому способу повысился до 90÷95%.

Пример 2.

Для изготовления высокопрочных прутков диаметром 8 мм с ультрамелкозернистой структурой использовали в качестве исходной заготовки прутки заводского изготовления диаметром 20 мм, отожженные 1 час при 680°C со средним размером зерен ~1,4 мкм. При этом авс-прессование выполняли по сокращенной схеме. Начинали авс-прессование при 600°C в два перехода, затем при 550°C в два перехода и при 500°С - в три перехода. Затем полученную заготовку в виде прутка прокатывали в ручьевых валках по тому же режиму, что и в примере 1 со ступенчатым понижением температуры нагрева заготовки под прокатку на 60°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°C до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование конечного круглого сечения прутка диаметром 8 мм.

Свойства полученного по описанному технологическому режиму прутка приведены в таблице 2. Видно, что прочностные характеристики этого прутка (строка 3) не уступают таковым для прутков, полученных ручьевой прокаткой при фиксированной температуре (строка 2), в то время как выход годного по предлагаемому способу повысился до 90÷95%.

Пример 3.

Для изготовления высокопрочных прутков диаметром 4 мм с ультрамелкозернистой структурой использовали в качестве исходной заготовки прутки заводского изготовления диаметром 20 мм, отожженные 1 час при 680°C со средним размером зерен ~1,4 мкм. При этом авс-прессование выполняли по сокращенной схеме. Начинали авс-прессование при 600°C в два перехода, затем при 550°C в два перехода и при 500°C - в три перехода. Затем полученную заготовку в виде прутка прокатывали в ручьевых валках по тому же режиму, что и в примере 1 со ступенчатым понижением температуры нагрева заготовки под прокатку на 50°C на каждом переходе к меньшему сечению ручья от температуры 500°C до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование конечного круглого сечения прутка диаметром 4 мм.

Таким образом, по предлагаемому способу можно изготовить прутки с ультрамелкозернистой структурой с заданным уровнем прочности и выходом годного на уровне 90÷95%.

Способ получения высокопрочных титановых прутков круглого сечения с ультрамелкозернистой структурой

Таблица 1

п/п

Обработка

Размер зерна d, мкм

Предел прочности

В , МПа

Предел текучести 0,2 , МПа

Удлинение до разрыва

,%

Выход годного, %

1

Слиток

400

350±10

250±10

11,5±1

-

2

aвc-прессование 750 500°C

0,8

550±10

410±10

33±1

-

3

авс-прессование 750 500°C + теплая прокатка при 300°C

0.6

730±12

461±20

15±1

60÷70

4

авс-прессование 750 500°C + теплая прокатка 500 300°C

0,45

820±12

740±10

24±2

90÷95

Таблица 2

п/п

Обработка

Размер зерна d, мкм

Предел прочности В , МПа

Предел текучести 0,2 , МПа

Удлинение до разрыва ,%

Выход годного

1

Пруток 20 мм, заводской передел

1,4

500±8

300±5

24±2

-

2

aвc-прессование 750 500°C + теплая прокатка при 300°C

0.6

730±12

461±20

15±1

60÷70

3

авс-прессование при 500°C + теплая прокатка 500 300°C

0,15

1120±10

960±15

13±1

90÷95

Формула изобретения

1. Способ получения высокопрочных титановых прутков круглого сечения с ультрамелкозернистой структурой, включающий поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках методом авс-прессования и многопроходную прокатку в ручьевых валках со ступенчато уменьшающимся сечением ручья в каждом цикле прокатки при фиксированной температуре нагрева заготовки под прокатку, отличающийся тем, что прокатку в ручьевых валках проводят с понижением температуры нагрева заготовки под прокатку на 40-60°C на каждом переходе к ручьям меньшего сечения от температуры 500°С до температуры 300°C, при которой осуществляют окончательное формирование прутка конечного круглого сечения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поэтапное измельчение зерен в титановых заготовках методом авс-прессования осуществляют при ступенчатом понижении температуры в интервале 750-500°С.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на этапе авс-прессования титановые заготовки подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 680-700°C в течение 1 ч.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество сечений ручьев выбирают таким образом, чтобы при переходе от одного ручья к другому степень обжатия не превышала 40%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокатку в ручье ручьевых валков ведут в несколько проходов, поворачивая при этом заготовку на 90° вокруг своей оси при каждом проходе.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают титановые прутки круглого сечения диаметром 4-8 мм из титана технической чистоты.