Фрикционная экструзия
Фрикционная экструзия — это термомеханический процесс форм некруглой формы , который можно использовать для формирования полностью консолидированной проволоки, стержней, трубок или других металлических непосредственно из различных исходных материалов, включая металлический порошок, чешуйки, отходы механической обработки (стружку или стружку ) или твердая заготовка . уникальные и потенциально очень желательные микроструктуры Этот процесс придает получаемым продуктам . Фрикционная экструзия была изобретена в Институте сварки в Великобритании и запатентована в 1991 году. Первоначально она предназначалась в первую очередь как метод получения однородных микроструктур и распределения частиц в композиционных материалах с металлической матрицей. [ 1 ]
Описание процесса и основных переменных процесса
[ редактировать ]
Как и в традиционных процессах экструзии, при экструзии трением изменение формы загружаемого материала происходит за счет принудительного прохождения его через матрицу . Однако экструзия трением отличается от обычной экструзии по нескольким ключевым моментам. Важно отметить, что в процессе экструзии трением экструзионная загрузка (заготовка или другой предшественник) вращается относительно экструзионной головки. Кроме того, как и при обычной экструзии, прикладывается сила экструзии, прижимающая загрузку к матрице. На практике либо матрица, либо заряд могут вращаться или вращаться в противоположных направлениях. Относительное вращательное движение между шихтой и матрицей оказывает несколько существенных эффектов на процесс. Во-первых, относительное движение в плоскости вращения приводит к большим напряжениям сдвига , а значит, и к пластической деформации в слое шихты, контактирующем со штампом и вблизи него. Эта пластическая деформация рассеивается за счет процессов восстановления и рекристаллизации, приводящих к существенному нагреву деформирующей шихты. Из-за деформационного нагрева экструзия трением обычно не требует предварительного нагрева шихты с помощью вспомогательных средств, что потенциально приводит к более энергоэффективному процессу. Во-вторых, значительный уровень пластической деформации в области относительного вращательного движения может способствовать сварке в твердом состоянии порошков или других мелкодисперсных предшественников, таких как чешуйки и стружки, эффективно консолидируя шихту (консолидацию трением) перед экструзией. [ 2 ] Закрученные элементы на лицевой стороне фильеры помогают материалу течь в экструзионное отверстие, что может привести к уменьшению силы экструзии на порядок по сравнению с обычными экструзиями эквивалентного поперечного сечения. [ 3 ] В-третьих, комбинированное воздействие повышенной температуры и больших уровней деформации обычно приводит к тому, что экструдат имеет относительно мелкую равноосную зернистую структуру, возникающую в результате рекристаллизации после завершения деформации: желаемые кристаллографические текстуры также могут быть созданы в результате процесса и формирования возможны также нанокомпозитные структуры. [ 4 ]
На основании вышеизложенного можно сказать, что основными контролируемыми параметрами при фрикционной экструзии обычно являются:
- Скорость вращения матрицы.
- Геометрия штампа.
- Сила экструзии, нормальная к поверхности матрицы , или скорость продвижения матрицы в загрузку.
Соответствующие параметры ответа включают в себя:
- Требуемый крутящий момент и мощность.
- Температура экструзии.
- Скорость экструзии при экструзии с контролируемой силой или сила экструзии при экструзии с контролируемой скоростью.
- Микроструктура и свойства экструдата.
Фрикционное экструзионное оборудование
[ редактировать ]
В принципе, экструзию трением можно осуществлять на любой машине, способной производить необходимые вращательные и линейные движения между матрицей и загрузкой. Примеры включают машины, предназначенные для сварки трением с перемешиванием, фрезерные станки, модифицированные для работы с силами экструзии, и специально созданное оборудование для экструзии трением, такое как машина для обработки и экструзии с использованием сдвига (ShAPE ™) в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории . На рисунках 1-3 показаны примеры оборудования для фрикционной экструзии и экструдированных изделий. На рис. 4 показаны типичные фрикционные экструзионные головки, предназначенные для производства проволоки, стержней и труб. Матрицы вращаются в направлении, которое увеличивает поток материала к экструзионному отверстию во время процесса.
Деформация при фрикционной экструзии
[ редактировать ]При обычной экструзии деформация, передаваемая шихте, в общих чертах определяется коэффициентом экструзии. [ 5 ] Коэффициент экструзии представляет собой просто площадь поперечного сечения экструзионной заготовки A 0 , деленную на площадь поперечного сечения экструдата A f . Тогда экструзионная деформация равна e=ln(A 0 /A f ).
При экструзии трением существует дополнительная составляющая деформации, которая возникает из-за сдвигающего движения вращающейся головки при контакте с шихтой. Деформация, создаваемая вращением матрицы, приводит к избыточной работе, поскольку не приводит к изменению формы. Чтобы исследовать деформацию, вызванную сдвигом, были проведены исследования с использованием маркерных материалов, внедренных в экструдируемый материал. [ 6 ] После экструзии эти материалы обнаруживаются металлографическими методами и дают представление о том, как материал течет в процессе экструзии. На рисунке 5 показан пример того, как изменяется величина деформации сдвига при изменении соотношения скорости экструзии и скорости вращения головки. В пределах очень высоких скоростей экструзии процесс экструзии трением близко имитирует обычный процесс экструзии в отношении уровней деформации.
Типичная микроструктура, полученная в результате экструзии трением.
[ редактировать ]На рис. 6 представлены поперечное сечение и микроструктура титановой проволоки, полученной методом фрикционной экструзии порошка Ti-6-4. Примечательно, что поперечное сечение полностью консолидировано, а трансформированная микроструктура b указывает на то, что экструзия, вероятно, произошла при температуре около 1000 ° C (выше бета-перехода для сплава). На рис. 7 показаны размер зерен и кристаллографическая ориентация, типичные для тонкостенных трубок, экструдированных из хлопьев формования из расплава AZ91. [ 7 ] Зерна уменьшены до размера менее 5 мм, а ориентация плоскостей (0001) ненормальна из-за компонента вращательного сдвига. На рис. 8 показаны примеры трубок из магниевого сплава, полученных фрикционной экструзией. Консолидация трением также использовалась для уточнения размера зерна и предпочтительной ориентации текстуры в функциональных материалах, таких как из теллурида висмута. термоэлектрики [ 8 ] и железокремниевые магниты. [ 9 ] Сообщалось о примерах эффекта фрикционной экструзии микроструктуры для AZ31, [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] различные алюминиевые сплавы [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] и чистая медь. [ 17 ]
Потенциал фрикционной экструзии для коммерциализации
[ редактировать ]- Трубопроводы из жаропрочной стали.
- Легкие конструкции из магния и алюминия.
- Материалы с повышенными тепловыми свойствами.
- Переработка отходов механической обработки алюминия и стружки.
- Нанокомпозитные функциональные материалы.
Преимущества и недостатки по сравнению с традиционной экструзией
[ редактировать ]Преимущества
[ редактировать ]- Потенциал значительно более низкого энергопотребления и силы экструзии по сравнению с традиционной экструзией благодаря вращательному сдвигу, генерирующему необходимое технологическое тепло, и функциям спирали, способствующим потоку материала в отверстие экструзии. [ 3 ]
- Фрикционная экструзия способна измельчать микроструктуру порошка/хлопьев/стружки (снизу вверх) и твердых заготовок (сверху вниз). [ 2 ] [ 3 ] [ 7 ] [ 18 ]
- Обеспечивает экструзию материалов, таких как Mg 2 Si, которые невозможно легко экструдировать обычными способами. [ 19 ]
- В качестве твердофазного процесса экструзия трением может осуществляться при низкой температуре, тем самым сохраняя наноразмерные вторые фазы и частицы, присутствующие в материале-предшественнике. Позволяет изготавливать объемные нанокомпозитные материалы. [ 4 ] [ 7 ] [ 19 ] [ 20 ]
- Обеспечивает улучшение объемных свойств, таких как поглощение энергии в магниевых сплавах. [ 19 ]
Недостатки
[ редактировать ]- Скорость экструзии, конкурентоспособная по сравнению с традиционными процессами экструзии, еще не продемонстрирована.
- Однородность микроструктуры и свойств материала трудно получить в плоскости, перпендикулярной направлению экструзии, поскольку приложенная деформация неоднородна. [ 6 ]
- Полный диапазон масштабируемости процесса не был оценен.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Формирование металлических композиционных материалов путем соединения основных материалов под действием сдвига» Патент США № 5262123 A. Изобретатели: У. Томас, Э. Николас и С. Джонс. Первоначальный правопреемник: Институт сварки.
- ^ Перейти обратно: а б Тан, В.; Рейнольдс, AP (2010). «Производство проволоки методом фрикционной экструзии стружки из алюминиевых сплавов». Журнал технологии обработки материалов . 210 (15): 2231–2237. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2010.08.010 .
- ^ Перейти обратно: а б с д «Масштабное производство тонкостенных магниевых трубок ZK60 с использованием сдвиговой обработки и экструзии (ShAPE™)», С. Уэлен, В. Джоши, Н. Оверман, Д. Колдуэлл, К. Лавендер, Т. Скшек, Magnesium Technology , 315-321, 2017.
- ^ Перейти обратно: а б «Распределение дисперсоидов и микроструктура в дисперсно-упрочненном сплаве ферритных оксидов Fe-Cr-Al, полученном путем консолидации трением», Д. Каталини, Д. Кауми, А. П. Рейнольдс, Г. Грант, Metallurgical and Materials Transactions A, v. 46, no. 10, стр. 4730–4739, 2015.
- ^ «Процессы производства инженерных материалов, 5-е изд.», С. Калпакджян и С.Р. Шмид, ISBN 0132272717 , стр. 307–314, 2008 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Деформация и текстура при экструзии трением алюминиевой проволоки», К. Ли, В. Тан, А. П. Рейнольдс, В. А. Тайон, К. А. Брайс, Журнал технологий обработки материалов, т. 229, стр. 191-198, 2016.
- ^ Перейти обратно: а б с д «Микроструктурная эволюция быстро затвердевших чешуек AZ91E, консолидированных посредством обработки и экструзии с применением сдвига (ShAPE™)», Н. Оверман, С. Уэлен, М. Ольшта, К. Круска, Дж. Дарселл, В. Джоши, К. Цзян, К. Мэттлин, Э. Стивенс, Т. Кларк, С. Матаудху, Материаловедение и инженерия A, 701, стр. 56-68, 2017.
- ^ «Обработка фрикционной консолидации термоэлектрического материала из теллурида висмута n-типа», С. Уэлен, С. Яна, Д. Каталини, Н. Оверман, Дж. Шарп, Журнал электронных материалов, 45 (7), стр. 3390- 3399, 2016 г.
- ^ «Трикционная консолидация газораспыленных порошков Fe-Si для магнитомягких применений», К. Цзян, С. Уэлен, Дж. Дарселл, С. Матаудху, Н. Оверман, Характеристика материалов, т. 123, стр. 166-172 , 2017
- ^ Дж. Милнер, Ф. Абу-Фарха, « Микроструктурная эволюция и ее связь с механическими свойствами Mg AZ31B, экструдированных трубок с трением и обратным перемешиванием », Magnesium Technology, стр. 263-268, 2014 г.
- ^ «Численная модель для прогнозирования целостности проволоки при экструзии магниевых сплавов с трением и перемешиванием», Д. Баффари, Г. Буффа, Л. Фратини, Журнал технологий обработки материалов, стр. 1-10, 2017 г.
- ^ «Переработка магниевого сплава AZ31 посредством процесса экструзии с трением и перемешиванием», Г. Буффа, Д. Кампанелла, Л. Фратини, Ф. Микари, Международный журнал формования материалов, 1–6, 2015 г.
- ^ «Предварительное исследование возможности обратной экструзии с трением и перемешиванием», Ф. Абу-Фарха, Scripta Materialia, 66, стр. 615-618, 2012.
- ^ «Производство проволоки из алюминиевой стружки AA7277 методом экструзии трением с перемешиванием (FSE)», Р. Бена, Р. Махдавинежад, А. Йивари, М. Абдолла, М. Нарван, Металлургические и материальные операции B, 45:4, стр. 1484–1489, 2014 г.
- ^ «Эволюция микроструктуры и механические свойства трубчатого алюминия, полученного методом обратной экструзии трением с перемешиванием», М. Хоррами, М. Мовахеди, Материалы и дизайн, 65, стр. 74-79, 2015 г.
- ^ «Прямое твердофазное преобразование металлов и сплавов, пригодных для вторичной переработки», В. Манчираджу, Заключительный технический отчет DE-EE0003458, Национальная лаборатория Ок-Ридж, 2012 г.
- ^ «Микроструктурная характеристика труб из чистой меди, изготовленных новым методом - экструзия с трением и перемешиванием», И. Динахаран, Р. Сатискумар, С. Виджай, Н. Муруган, Procedia Materials Science, 5, стр. 1502–1508, 2015 г.
- ^ Баффари, Дарио; Рейнольдс, Энтони П.; Ли, Сяо; Фратини, Ливан (2017). «Влияние параметров обработки и начального отпуска на экструзию с трением и перемешиванием алюминиевого сплава 2050». Журнал производственных процессов . 28 : 319–325. дои : 10.1016/j.jmapro.2017.06.013 .
- ^ Перейти обратно: а б с «Высокая сдвиговая деформация для обеспечения высокой прочности и поглощения энергии в магниевых сплавах», В. Джоши, С. Яна, Д. Ли, Х. Гарместани, Э. Нюберг, К. Лавендер, стр. 83-88, Magnesium Technology, 2014 г.
- ^ Каталини, Дэвид; Кауми, Джамель; Рейнольдс, Энтони П.; Грант, Гленн Дж. (2013). «Фрикционное уплотнение порошка МА956». Журнал ядерных материалов . 442 (1–3): С112–С118. Бибкод : 2013JNuM..442S.112C . дои : 10.1016/j.jnucmat.2012.11.054 .