TECHNIKA WYTWARZANIA ULTRADROBNOZIARNISTYCH

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z.240
Mechanika
2011
Lech Olejnik
Instytut Technik Wytwarzania
TECHNIKA WYTWARZANIA
ULTRADROBNOZIARNISTYCH METALI I
STOPÓW METOD PRZECISKANIA PRZEZ
KANA KTOWY
Rkopis dostarczono 7.10.2011r.
Waciwoci mechaniczne polikrystalicznych materiaów metalowych zale od wielu
czynników. Przydatno metali do obróbki plastycznej okrelaj gównie naprenie
uplastyczniajce p oraz wielko ziarna. Wpyw odksztacenia plastycznego na p opisuje
równanie krzywej umocnienia, a wpyw wielkoci ziarna równanie – Halla-Petcha. Uzyskanie
poczonego dziaania obu tych czynników wzrostu p, a wic umocnienia materiau i
rozdrobnienia jego ziarna, jest moliwe przez zastosowanie specjalnych metod obróbki
plastycznej.
Najbardziej znan specjaln metod odksztacenia plastycznego jest jego przeciskanie przez
kana ktowy. W pracy przedstawiono 3 technologiczne formy praktycznej realizacji tego
przeciskania. Dwie s dobrze znane z literatury: popularne przeciskanie prowadzone sposobem
wsadowym i przeciskanie cige. Obie wykorzystuj stacjonarne pynicie plastyczne metalu w
strefie odksztacania zdefiniowanej przez ksztat i wymiary nieruchomego narzdzia. Trzecia
forma, nazwana ksztatowaniem przyrostowym, jest now propozycj. W tym przypadku
wielko strefy uplastycznionego materiau jest definiowana przez wymiary narzdzi, jak
równie przez ich ruch. Rónica midzy tymi formami polega na zmianie relacji midzy si
potrzebn do przeciskania a siami tarcia. W klasycznej, wsadowej metodzie ECAP, w której
sia procesu podaje i odksztaca materia, siy tarcia przeszkadzaj przeciskaniu. W procesach
cigych czciowo siy tarcia s wykorzystywane do podawania materiau. Przyrostowe
przeciskanie pozwala na rozdzielenie oporów odksztacenia i tarcia. Te rónice wymuszaj
odmienne realizacje. W pracy omówiono najlepsze rozwizania techniczne i technologiczne dla
przeciskania wsadowego i przyrostowego.
Podstawowym celem pracy jest intensyfikacja wytwarzania metali UFG i opracowanie
takich metod produkcyjnych, które bd mogy by zaakceptowane przez przemys. Do
przewidywania sposobu odksztacania i wizualizacji plastycznego pynicia materiau
stosowano symulacje procesów. Gównym narzdziem modelowania jest metoda elementów
Wprowadzenie
4
skoczonych, chocia wykorzystywano równie modelowanie fizyczne i metod wizjoplastycznoci. Dopiero po sprawdzeniu koncepcji za pomoc tego modelowania przystpowano
do wykonania narzdzi w metalu i podejmowano próby na rzeczywistych materiaach.
Rezultaty w postaci rozdrobnienia ziarna metalu sprawdzano eksperymentalnie. Prowadzono
obserwacje metalograficzne i badano waciwoci mechaniczne.
W pierwszej czci rozprawy przedstawiono metale UFG i nakrelono kierunki rozwoju
metod ich wytwarzania. Nastpnie przedyskutowano przydatno produkcyjn metod
stosujcych niekonwencjonalnie due wartoci odksztacenia plastycznego. Wykazano, e tylko
ECAP ma szanse na powodzenie w uzyskiwaniu metalu UFG o jakoci odpowiedniej dla
zastosowa przemysowych. Metoda ta zapewnia prowadzenie odksztacenia w kontrolowany
sposób i jest podatna na modyfikacje, których liczne przykady zaprezentowano w rozdziale 4.
Na bazie metody ECAP opracowano wydajne procesy technologiczne rozdrabniania ziarna w
metalach i ich stopach, które zaprezentowano w kolejnym rozdziale 5. Zaproponowano równie
przyrostowy sposób realizacji metody ECAP. Przydatno tego sposobu sprawdzono przy
uyciu specjalnie do tego celu zbudowanych przyrzdów. Opracowano równie konstrukcj
specjalnej maszyny do prowadzenia operacji przyrostowego przeciskania, której budow
zaprezentowano w rozdziale 6.
Otrzymane wyniki w peni potwierdzaj przydatno przeciskania przez kana ktowy do
wydajnego wytwarzania metali UFG. Dotyczy to zarówno stacjonarnej metody ECAP, jak i jej
przyrostowej odmiany IECAP. Uwiarygodniaj to osignicia badawcze, podane za pomoc
przywoania licznych publikacji opracowanych w zespole kierowanym przez autora. Za dorobek
naukowy w dziedzinie rozwoju techniki wytwarzania ultradrobnoziarnistych metali zespó
zosta wyróniony w roku 2009 nagrod Rektora Politechniki Warszawskiej. W prace
zaangaowane byy laboratoria dwóch wydziaów mechanicznych Politechniki Warszawskiej,
mianowicie Wydzia Inynierii Produkcji i Wydzia Inynierii Materiaowej. Prezentowany w
niniejszym opracowaniu dorobek zosta wzbogacony przez wspóprac z zagranicznymi
orodkami badawczymi zajmujcymi si rozwojem technik wytwarzania (austriacki
Leichtmetall Kompetenzzentrum Ranshofen) i przetwarzania materiaów (Austrian Research
Centers Seibersdorf) oraz zaawansowanymi technikami obróbki plastycznej (brytyjski
University of Stratchclyde).
Sowa kluczowe: ultradrobnoziarniste metale i stopy, SPD, ECAP
1. WPROWADZENIE
Praca dotyczy zagadnie technologicznych wystpujcych w dziedzinie obróbki
plastycznej metali. Jest powicona rozwojowi technologii wytwarzania nowej grupy
metali, tzw. metali ultradrobnoziarnistych, które w literaturze wiatowej s wyróniane
przez dodanie do ich nazwy oznaczenia UFG (Ultra Fine Grained).
Metale UFG, w porównaniu z metalami o konwencjonalnej budowie strukturalnej,
wykazuj unikalne waciwoci mechaniczne i fizyczne, które pojawiaj si po
osigniciu przez ziarna metalu redniej rednicy mniejszej od 1 m. Poniej
wymieniono najczciej przytaczane przykady tych unikalnych waciwoci. W
warunkach kriogenicznych metale UFG uzyskuj dwukrotnie wysz cigliwo [1] ni
ich odpowiedniki o konwencjonalnej budowie mikrostrukturalnej. Stwarza to nadziej
na atwe przeniesienie zastosowa metali do zakresu niskich temperatur, tylko przez
modyfikacj ich budowy wewntrznej. Jednoczenie w podwyszonych temperaturach
metale te cechuje nadplastyczne pynicie przy prdkociach odksztacenia H o rzd