Үйкеліс экструзиясы - Friction extrusion

Үйкеліс экструзиясы Бұл термомеханикалық процесс толығымен консолидацияланған сым, шыбықтар, түтікшелер немесе басқа дөңгелек емес пішінді қалыптастыру үшін қолдануға болады металл метал ұнтағы, қабыршақ, өңдеу қалдықтары (чиптер немесе торғай ) немесе қатты дайындама. Процесс бірегей және әлеуетті түрде өте қажет микроқұрылымдар алынған өнімдерге. Үйкеліс экструзия кезінде ойлап табылған Дәнекерлеу институты ішінде Ұлыбритания және патенттелген 1991 жылы. Ол бастапқыда біртекті микроқұрылымдар мен бөлшектердің таралуын өндіру әдісі ретінде қарастырылған. матрицалық композит материалдар.[1]

Процестің сипаттамасы және маңызды айнымалылар

Сурет 1. Үйкелетін экструзия үшін модификацияланған С жақтаулы фрезерлік станок. Сол жақта шолу кескіні, ал оң жақта механикалық шпиндельдің жақын орналасуы берілген өлу айналу және экструзия қысымын қамтамасыз ететін гидравликалық цилиндр. Сым фрезер машинасының қуыс тартқыш штангасы арқылы тігінен шығарылады. Бұл конфигурация айналмалы матрицамен тікелей экструзияға сәйкес келеді: яғни заряд (бұл жағдайда дайындама) айналмалы матрицаға итеріледі.

Кәдімгі экструзия процестеріндегідей, үйкеліс экструзиясында пішінді өзгерту зарядта оны а арқылы өтуге мәжбүр ету арқылы жүзеге асырылады өлу. Алайда үйкелетін экструзия әдеттегі экструзиядан бірнеше негізгі жолдармен ерекшеленеді. Критикалық тұрғыдан үйкелетін экструзия процесінде экструзия заряды (дайындама немесе басқа ізашар) экструзия өліміне қатысты айналады. Сонымен қатар, әдеттегі экструзияға ұқсас, зарядты матрицаға итермелейтін экструзиялық күш қолданылады. Іс жүзінде матрица немесе заряд айналуы мүмкін немесе олар қарсы айналмалы болуы мүмкін. Заряд пен матрица арасындағы салыстырмалы айналмалы қозғалыс процеске бірнеше маңызды әсер етеді. Біріншіден, айналу жазықтығындағы салыстырмалы қозғалыс үлкен ығысу кернеулеріне алып келеді, демек, штамппен жанасатын және заряд қабатындағы пластикалық деформация. Бұл пластикалық деформация қалпына келу және қайта кристалдану процестері арқылы деформацияланатын зарядтың айтарлықтай қызуына әкеледі. Қыздырудың деформациясы салдарынан үйкеліс экструзиясы, әдетте, зарядты қосымша құралдармен алдын ала қыздыруды қажет етпейді, бұл энергияны үнемдейтін процесті тудыруы мүмкін. Екіншіден, салыстырмалы айналмалы қозғалыс аймағындағы пластикалық деформацияның едәуір деңгейі ұнтақтарды немесе үлпектер мен чиптер сияқты басқа да ұсақ бөлінген прекурсорларды қатты күйде дәнекерлеуге ықпал етеді, экструзияға дейін зарядты (үйкеліс консолидациясы) тиімді түрде шоғырландырады.[2] Материалдың бетіндегі айналдырылған сипаттамалар экструзия тесігіне ағып кетеді, бұл экструзия күшінің эквивалентті көлденең қимасының кәдімгі экструзиясымен салыстырғанда шамасының төмендеуіне әкелуі мүмкін.[3] Үшіншіден, жоғары температура мен үлкен деформация деңгейлерінің бірлескен әсерлері экструдатты салыстырмалы түрде жұқа, теңдестірілген дән құрылымына әкеледі, нәтижесінде пайда болатын қайта кристалдандыру деформация аяқталғаннан кейін: қажет кристаллографиялық текстуралар, сонымен қатар, нанокомпозиттік құрылымдарды құру арқылы жасалуы мүмкін.[4]

2-сурет. Тынық мұхиты ұлттық зертханасындағы ShAPE ™ машинасы 100 тонна сызықтық күшке және 500 айн / мин айналу моменті 1000 фут-фунтқа ие.

Жоғарыда айтылғандарға сүйене отырып, үйкеліс экструзиясындағы маңызды бақыланатын параметрлер әдетте:

  1. Матрицаның айналу жылдамдығы.
  2. Өлу геометриясы.
  3. Экструзия күші өлі бетке қалыпты немесе, өлім жылдамдығы зарядқа ауысады.

Тиісті жауап параметрлері қамтиды:

  1. Қажетті момент пен қуат.
  2. Экструзия температурасы.
  3. Экструзия жылдамдығы бақыланатын экструзия немесе жылдамдық бақыланатын экструзиядағы экструзия күші.
  4. Экструдат микроқұрылымы және қасиеттері.

Үйкелісті экструзияға арналған жабдық

Сурет 3. Үйкелісті экструзия процесі жоғары масштабталады. Экструзияның диаметрі 7,5 мм, оң жағындағы диаметрі 50 мм. Бұл экструзиялар TTI фрикциялық сир дәнекерлеу машинасында орындалды.
Сурет 4. Өзекшені және түтікшені дайындауға арналған қалыпты айналдыру геометриясы. Құймалар шиыршықтар материалдың матрица саңылауына қарай ағуына көмектесетін етіп бұрылады.

Негізінде үйкеліс экструзиясын матрица мен заряд арасында қажетті айналмалы және сызықтық қозғалыстар жасай алатын кез-келген машинада жасауға болады. Бұған мысал ретінде үйкелісті араластыру дәнекерлеуге арналған машиналар, экструзия күштерін ескере отырып түрлендірілген фрезерлік станоктар және үйкеліске арналған өңделетін экструзиялық жабдық, мысалы, ығысу көмегімен өңдеу және экструзия (ShAPE ™) машинасы кіреді. Тынық мұхиты солтүстік-батыс ұлттық зертханасы. 1-3 суреттерде үйкелетін экструзиялық жабдықтың және экструдталған бұйымдардың мысалдары көрсетілген. 4-суретте сым, стержень және түтік өндіруге арналған типтік үйкелетін экструзиялық матрицалар көрсетілген. Құймалар процесте экструзия саңылауына қарай материал ағынын күшейтетін бағытта айналдырылады.

Үйкеліс экструзиясындағы штамм

Кәдімгі экструзияда зарядқа берілетін штамм экструзия коэффициентімен еркін анықталады.[5] Экструзия коэффициенті - жай экструзиялық дайындаманың көлденең қимасының ауданы, A0, экструдаттың көлденең қимасының ауданына бөлінген, Аf. Экструзия штаммы e = ln (A) болады0/ Af).

Үйкеліс экструзиясында қосымша штамм компоненті бар, ол айналмалы матрицаның зарядпен түйіскен кездегі ығысу қозғалысынан туындайды. Матрицаның айналуынан пайда болатын штамм форманы өзгертпейтіндіктен артық жұмыс жасайды. Жүннің қырқылуына байланысты штаммды зерттеу үшін экструдталатын материалға салынған маркер материалдарымен зерттеулер жүргізілді.[6] Экструзиядан кейін бұл материалдар анықталады металлографиялық экструзия процесінде материалдың ағу әдісі туралы түсінік береді. 5-суретте экструзия жылдамдығының матрицаның айналу жылдамдығына қатынасының өзгеруімен ығысу штаммының мөлшері қалай өзгеретіні туралы мысал келтірілген. Экструзия жылдамдығының өте жоғары шегінде үйкелетін экструзия процесі әдеттегі экструзия процесін штамм деңгейіне қатысты имитациялайды.

Сурет 5. AA2195 маркер сымының экструдталған 6061 сымында таралуы. Маркер дайындамаға экструзияға дейін дайындама радиусының 1/3 бөлігінде салынған. Қырқу мөлшері экструзия жылдамдығының матрицаның айналу жылдамдығына қатысты функциясы болып табылады: бұл қатынас a-h-ден өседі.

Үйкелісті экструзиядан туындаған типтік микроқұрылым

6-суретте Ti-6-4 ұнтағының үйкелетін экструзиясы нәтижесінде алынған титан сымының көлденең қимасы мен микроқұрылымы көрсетілген. Атап айтқанда, көлденең қимасы толығымен шоғырландырылған және өзгертілген b микроқұрылым экструзияның 1000 ° C (қорытпаға арналған бета трансустың үстінде) болуы мүмкін екенін көрсетеді. 7-суретте AZ91 балқытылған балқымадан экструдталған жұқа қабырғалы түтікшелерге тән түйіршіктің мөлшері мен кристаллографиялық бағыты көрсетілген.[7] Дәндер 5 мм-ден аз тазартылады және айналмалы ығысу компонентіне байланысты (0001) жазықтық бағдарлары қалыпты емес. 8-суретте үйкелетін экструдталған магний қорытпасының түтіктерінің мысалдары көрсетілген. Фрикционды консолидация, мысалы, функционалды материалдардағы түйіршіктердің өлшемдерін және құрылымдық құрылымын нақтылау үшін қолданылды висмут-теллурид термоэлектриктер [8] және темір-кремний магниттері.[9] Микроқұрылымның үйкелетін экструзиясының әсер ету мысалдары AZ31 үшін келтірілген,[10][11][12] әр түрлі алюминий қорытпалар [13][14][15][16] және таза мыс.[17]

Сурет 6. Ти-6-4 ұнтағының үйкелетін экструзиясымен өндірілген сым, жалпы көлденең қимасы және сымның микроқұрылымы ретінде.
Сурет 7. Тікелей AZ91 (магний қорытпасы) балқытылған балшықтан өндірілген үйкелетін экструдирленген түтікте дәннің мөлшері мен құрылымының дамуы.
Сурет 8. ZK60 магний қорытпасының фрикционды экструдирленген түтіктері Тынық мұхиты ұлттық зертханасындағы ShAPE машинасы көмегімен құйылған дайындамадан экструдталған. Экструдталған түтіктерде олардың құрылымы мен кристаллографиялық құрылымы қажет, бұл олардың икемділігі мен деформация энергиясын әдеттегі экструдталған түтіктерге қарағанда сіңіреді.[3][7]

Коммерциаландыру үшін үйкеліс экструзиясының әлеуеті

  1. Суға төзімді болат құбырлар.
  2. Жеңіл магний және алюминий құрылымдары.
  3. Жақсартылған жылу қасиеттері бар материалдар.
  4. Алюминий өңдеу қалдықтары мен шойынды қайта өңдеу.
  5. Нанокомпозициялық функционалды материалдар.

Кәдімгі экструзияға қатысты артықшылықтар мен кемшіліктер

Артықшылықтары

  1. Қалыпты экструзиямен салыстырғанда электр қуатын тұтыну мен экструзия күшін едәуір төмендету мүмкіндігі бар, бұл процестің қажетті жылуын және айналдыруды тудыратын айналмалы ығысудың арқасында экструзия саңылауына материалдың түсуіне ықпал етеді.[3]
  2. Үйкеліс экструзиясы микроқұрылымды ұнтақ / қабыршақ / чиптен (төменнен жоғары) және қатты дайындамалардан (жоғарыдан төменге) тазартуға қабілетті.[2][3][7][18]
  3. Mg сияқты материалдардың экструзиясын қосады2Кәдімгі құралдармен оңай шығарылып алынбайтын Si.[19]
  4. Қатты фазалық процесс ретінде үйкеліс экструзиясын төмен температурада жүргізуге болады, осылайша наноқөлшемді екінші фазалар мен прекурсорлар материалында болатын бөлшектер сақталады. Ірі нанокомпозиттік материалдарды дайындауға мүмкіндік береді.[4][7][19][20]
  5. Магний қорытпаларында энергия сіңіру сияқты кеңейтілген көлемдік қасиеттерді қосады.[19]

Кемшіліктері

  1. Әдеттегі экструзия процестерімен бәсекеге қабілетті экструзия жылдамдығы әлі көрсетілмеген.
  2. Микроқұрылым мен материал қасиеттерінің біркелкілігін экструзия бағытына перпендикуляр жазықтықта алу қиын, себебі берілген штамм біркелкі емес.[6]
  3. Процестің ауқымдылығының толық ауқымы бағаланбаған.

Пайдаланылған әдебиеттер

  1. ^ «Металл композиттік материалдарды ығысу кезінде негізгі материалдарды біріктіру арқылы қалыптастыру» АҚШ патенті № 5262123 А, өнертапқыштар: У. Томас, Э. Николас және С. Джонс, Бастапқы тапсырушы: Дәнекерлеу институты.
  2. ^ а б Тан, В .; Рейнольдс, AP (2010). «Алюминий қорытпасын өңдеу чиптерінің үйкелетін экструзиясы арқылы сым өндіру». Материалдарды өңдеу технологиясы журналы. 210 (15): 2231–2237. дои:10.1016 / j.jmatprotec.2010.08.010.
  3. ^ а б c г. «Қайырмалы өңдеу және экструзия (ShAPE ™) қолдана отырып, жұқа қабырғалы магний ZK60 түтікшелерін кеңейту», С. Уален, В. Джоши, Н. Овермен, Д. Колдуэлл, К. Лаванда, Т. Сксек, магний технологиясы , 315-321, 2017 ж.
  4. ^ а б «Үйкелісті консолидациялау арқылы дайындалған Fe-Cr-Al феррит оксидінің дисперсиялық күшейтілген қорытпасындағы дисперсияның таралуы және микроқұрылымы», Д.Каталини, Д.Каоуми, А.П.Рейнольдс, Г.Грант, Металлургиялық және материалдармен операциялар А, т.46, №. 10, 4730–4739 б., 2015 ж.
  5. ^ «Инженерлік материалдарды өндіру процестері, 5-ші басылым», С. Калпакджян және С.Р. Шмид, ISBN  0132272717, 307-314 б., 2008 ж.
  6. ^ а б «Алюминий сымының үйкелетін экструзиясындағы штамм және құрылым», X. Ли, В.Танг, А.П. Рейнольдс, В.А. Тайон, Калифорния Брайс, Материалдарды өңдеу технологиясының журналы, 229-бет, б. 191-198, 2016 ж.
  7. ^ а б c г. «Жылдам қатып қалған AZ91E үлпектерінің ығысу көмегімен өңдеу және экструзия арқылы біріктірілген микроқұрылымдық эволюциясы (ShAPE ™)», Н. Овермен, С. Уален, М. Ольшта, К. Круска, Дж. Дарселл, В. Джоши, X. Цзян, К. Маттлин, Э.Стефенс, Т.Кларк, С.Матау, Материалтану және инжиниринг A, 701, 56-68 бет, 2017.
  8. ^ «В-висмут-теллуридті термоэлектрлік материалдың үйкелісті консолидациясын өңдеу», С.Вален, С.Яна, Д.Каталини, Н.Оверман, Дж.Шарп, Электрондық материалдар журналы, 45 (7), 3390-3399 бет. , 2016 ж
  9. ^ «Жұмсақ магниттік қосымшалар үшін газды атомдалған Fe-Si ұнтақтарының үйкеліс күшін консолидациясы», X. Цзян, С. Уален, Дж. Дарселл, С. Матауху, Н. Овермен, Материалдардың сипаттамасы, 123 т., 166-172 б., 2017 ж
  10. ^ Дж. Милнер, Ф. Абу-Фарха, «Микроқұрылымдық эволюция және оның Mg AZ31B үйкелісінің механикалық қасиеттерімен байланысы экструдталған түтіктерді араластырады», магний технологиясы, 263-268 бб, 2014
  11. ^ «Магний қорытпаларын үйкеліс күшімен экструзиялауда сымдардың тұтастығын болжаудың сандық моделі», Д.Баффари, Г.Буффа, Л.Фратини, Материалдарды өңдеу технологиясының журналы, б. 1-10, 2017
  12. ^ «AZ31 магний қорытпасын үйкелісті араластыру экструзиясы процесі арқылы қайта өңдеу», Г.Буффа, Д.Кампанелла, Л.Фратини, Ф.Микари, Халықаралық материалдар қалыптастыру журналы, 1-6, 2015 ж.
  13. ^ «Үйкелістің орындылығы туралы алдын-ала зерттеу экструзияны қоздырады», Ф.Әбу-Фарха, Скрипта Материалия, 66, 615-618 бб, 2012 ж.
  14. ^ «Үйкелісті-араластырмалы экструзия (FSE) арқылы AA7277 алюминий чиптерінен сым өндіру», Р.Бехнаг, Р.Махдавинеджад, А.Иивари, М.Абдоллах, М.Нарван, Металлургия және материалдармен операциялар Б, 45: 4, бб. 1484–1489, 2014 ж
  15. ^ «Үйкеліс күшімен өндірілген құбырлы алюминийдің микроқұрылымының эволюциясы және механикалық қасиеттері», М.Хоррами, М.Мовахеди, Материалдар және дизайн, 65, 74-79 б., 2015 ж.
  16. ^ «Қайта өңделетін металдар мен қорытпалардың тікелей қатты күйге айналуы», В. Манчираджу, DE-EE0003458 қорытынды техникалық есебі, Оук Ридж ұлттық зертханасы, 2012 ж.
  17. ^ «Жаңа әдіспен өндірілген таза мыс түтіктерінің микроқұрылымдық сипаттамасы - үйкеліс экструзияны қоздырады», И.Динахаран, Р.Сатискумар, С.Виджай, Н.Муруган, Processia Material Science, 5, 1502-1508 бб., 2015
  18. ^ Баффари, Дарио; Рейнольдс, Энтони П .; Ли, Сяо; Фратини, Ливан (2017). «2050 алюминий қорытпасының фрикциялық араластыру экструзиясына өңдеу параметрлері мен бастапқы температураның әсері». Өндірістік процестер журналы. 28: 319–325. дои:10.1016 / j.jmapro.2017.06.013.
  19. ^ а б c «Mg қорытпаларында жоғары беріктік пен энергияны сіңіру үшін жоғары ығысу деформациясы», В. Джоши, С. Джана, Д. Ли, Х. Гарместани, Э. Ниберг, С. Лаванда, 83-88 б., Магний технологиясы, 2014
  20. ^ Каталини, Дэвид; Кауми, Джамель; Рейнольдс, Энтони П .; Грант, Глен Дж. (2013). «MA956 ұнтағының үйкелісті консолидациясы». Ядролық материалдар журналы. 442 (1–3): S112 – S118. Бибкод:2013JNuM..442S.112C. дои:10.1016 / j.jnucmat.2012.11.054.