Способ формирования в парамагнитном материале автономных пространственных массивов металла с дифференцированным ферромагнитными свойствами

 

Использование: в области обработки металлов давлением при изготовлении нового поколения определяющих деталей датчиковой аппаратуры, радио и видео техники, в хлебопечении и молокопереработке, а также в медтехнике при изготовлении емкостей для хранения крови и долгосрочных анализаторов крови на СПИД. Сущность изобретения: цилиндрическую заготовку с двухсторонними фасками размещают на планетарном деформирующем модуле, к рабочему торцу заготовки подводят обкатной пуансон, фиксируют заготовку в полости матрицы между пуансоном, модулем и опорой. Затем производят поочередно торцевую осадку и деформирование заготовки обкаткой с последующим холостым обкатыванием отформованной заготовки. В процессе деформирования заготовки поочередно переводятся в состояние динамической неустойчивости модуль и заготовка, что обуславливает реализацию мод ротационной пластичности на мезоуровне. В процессе пластического деформирования заготовки производят многократные реверсивные перемещения части металла заготовки, отформованную заготовку охлаждают в постоянном магнитном поле с различными скоростями. Приведены формулы, определяющие степень деформации заготовки при торцевой осадке, длительность холостого обкатывания и выдержки отформованной заготовки, а также напряженность магнитного поля. 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам для изготовления деталей с регламентированным феноменологическим сочетанием эксплуатационных характеристик, и может быть использовано при изготовлении: нового поколения датчиков измерения физических параметров в химически активных средах, при сверхмалых и сверхвысоких давлениях, а также при высоких и криогенных температурах; нового поколения определяющих деталей видео- и аудиоаппаратуры (герконы магнитоуправляемые контакты), позволяющих создать на базе одного элемента взаимоисключающие физические характеристики: "высокая упругость коррозионная стойкость высокая магнитная индукция B_s стабильная максимальная магнитная проницаемость μ_max; нового поколения экологически чистых модулей в пищевых емкостях для катализации процессов образования аминокислот при брожении белковых масс; нового поколения долгосрочных самовосстанавливающихся анализаторов крови на СПИД, позволяющих достаточно быстро визуально оценить факт нарушения иммунного биологического кода компонент крови; длительно сохранять большие объемы крови, исключив необходимость ее постоянного перемешивания с целью сохранения однородного состава.

Известен способ формирования в парамагнитном материале автономных пространственных массивов металла с дифференцированными ферромагнитными свойствами, заключающийся в размещении заготовки в матрице на опоре и приложении к ней со стороны торца от обкатного инструмента усилий осадки и обкатывания, обеспечивая в процессе формообразования перераспределение компонент фазового состава металла заготовки [1] Недостатки способа следующие: невозможно холодным пластическим деформированием создать в парамагнитном (ненамагниченном) материале сочетание таких взаимоисключающих характеристик, как магнитотвердые и магнитомягкие свойства локальных массивов металла детали при одновременном сохранении парамагнитных объемов металла с высокими упругими и коррозионно-стойкими свойствами; диффузионная активность поверхностных слоев металла детали не обеспечивают ее стабильной работы в условиях сверхмалых давлений, биологически и химически активных сред и криогенных температур (прототип).

Решаемая задача изобретения заключается в создании в парамагнитном материале холодным пластическим деформированием автономных пространственных массивов материала с дифференцированными ферромагнитными свойствами, чередующимися с объемами с парамагнитными свойствами.

Решаемая задача достигается тем, что изменение фазового состава металла заготовки на кристаллографическом уровне и формирование локальных объемов с дифференцированными ферромагнитными свойствами выполняют при размещении заготовки на опоре с возможностью спонтанного качательно-колебательного движения, торцевую осадку заготовки прекращают при степени деформации, определяемой зависимостью ε_т.о.= (0,05...0,09)ε_кр,
где ε_т.о. суммарная степень деформации при торцевой осадке, мм;
ε_кр предельно допустимая степень деформации металла при холодной торцевой осадке, мм.

При осадке заготовки со степенью деформации 0,04 ε_кр и последующем ее обкатывании при снятом усилии осадки, не наблюдалось феноменологическое фрагментирование структуры готовой детали, как следствие невозможности реализации механизмов ротационной пластичности.

При осадке заготовки со степенью деформации 0,01 ε_кр и последующем ее обкатывании при снятом усилии осадки в структуре металла готовой детали преобладает сильно выраженная полосчатость неметаллических включений, что является следствием прохождения механизмов пластического сдвига по плоскостям и большеугловым границам, а это полностью исключает вероятность зарождения ротационных мод пластичности.

При осадке заготовки на ее рабочем торце формируют коническое углубление, а на оппозитном опорном торце сферическую полость, после чего снимают усилие осадки с опорного торца заготовки, сохраняя при этом статический контакт обкатного инструмента и опоры с торцами заготовки. Затем к торцу заготовки с коническим углублением прикладывают усилие обкатки, производя прямое выдавливание металла в кольцевой зазор между опорой и матрицей и, одновременно, прилагают к выдавленному металлу пульсирующее усилие раскатки в зоне опорного торца в направлении, перпендикулярном к направлению выдавливания металла.

Окончательное формирование новых автономных комплексов магниточувствительных характеристик металла производят при появлении прерывистого звука высокого звучания и заканчивают при холостом обкатывании заготовки в течение времени
τ_х.о.= (1,1...1,8)τ_ц,
где τ_х.о. время холостого обкатывания заготовки, сек;
τ_ц длительность рабочего цикла формообразования заготовки, сек.

В случае обкатывания готовой детали на холостом ходу в течение времени, равном длительности рабочего цикла, в структуре металла детали явно выражены отдельные массивы с нагартованным матричным металлом, где не успела пройти перестройка кристаллографической структуры наклепанного металла.

При холостом обкатывании готовой детали в течение времени, равном 1,9 длительности рабочего цикла в структуре металла детали не обнаружено существенных отличий по сравнению со структурой после холодного обкатывания в течение времени 1,8 длительности рабочего цикла.

Отформованную заготовку выдерживают в замкнутом инструменте при статическом контакте с ней обкатного инструмента и опоры в течение времени, равном
τ_в= (2,0...2,6)τ_ц,
где τ_в время выдержки заготовки в инструменте, сек.

При выдержке отформованной заготовки в замкнутом инструменте в течение времени, превышающего длительность удвоенного рабочего цикла формообразования детали, уровень ферромагнитных свойств по объему металла заготовки получается нестабильным, отличным от заданного.

При выдержке заготовки в замкнутом инструменте в течение времени, большем 2,6 длительности рабочего цикла, уровень и характер распределения дифференцированных ферромагнитных свойств в готовой детали остается неизменным, таким же, как и после выдержки в течение 2,6 длительности рабочего цикла.

Кроме того, отформованную заготовку охлаждают со скоростями, отличающимися от скоростей ее охлаждения на воздухе; причем выдержку и последующее охлаждение заготовки осуществляют в постоянном магнитном поле с напряженностью, определяемой зависимостью
Bг_в.п.≥0,6 Вг_м.м.,
где Вг_в.п. напряженность внешнего постоянного магнитного поля, А/м;
Вг_м.м. минимальная напряженность локального массива металла заготовки, А/м.

При выдержке и последующем охлаждении заготовки в постоянном магнитном поле с напряженностью, меньшей заданной минимальной напряженности локального массива металла детали, не обеспечивается регламентированной стабильности ферромагнитных характеристик детали в процессе длительного времени.

При этом следует отметить, что в процессе формирования детали производят многократное реверсивное перемещение металла детали периферийной зоны части заготовки, со стороны приложения усилия обкатки.

Способ формирования в парамагнитном материале автономных пространственных массивов металла с дифференцированными ферромагнитными свойствами представлен графическим материалом, где: на фиг. 1 процесс осуществления способа в исходном положении с размещенной в нем заготовкой; на фиг. 2 то же, на стадии торцевой осадки; на фиг. 3 то же, при снятом усилии осадки; на фиг. 4 стадия приложения к заготовке усилия обкатки; на фиг. 5 стадия формоизменения заготовки от усилия обкатки; на фиг. 6 стадия окончательного оформления заданной геометрии и продолжения финишного формирования в ее металле феноменологических структурно-чувствительных характеристик; на фиг. 7 флуктуационный модуль; на фиг. 8 структура заготовки при вхождении в состояние динамической неустойчивости; на фиг. 9 то же, при развитии этого состояния; на фиг. 10 то же, при выходе заготовки из состояния динамической неустойчивости; на фиг. 11 рентгенограммы фольг образцов заготовки на различных стадиях ее динамической неустойчивости.

Способ осуществляется следующим образом.

Цилиндрическую заготовку 1 с двухсторонними фасками и нанесенной на поверхность смазкой размещают на планетарном деформирующем флуктуационном модуле 2, к рабочему (верхнему) торцу заготовки 1 подводят обкатной пуансон 3 и фиксируют ее в полости матрицы 4 между пуансоном 3, модулем 2 (см. фиг. 1) и опорой 5 (см. фиг. 2). Затем производят регламентированную торцевую осадку заготовки 1 со стороны пуансона 3, формируя на ее рабочем торце коническое углубление и сферическую полость на ее опорном торце со стороны модуля 2 (см. фиг. 2). Торцевую осадку заготовки прекращают при степени деформации, определяемой зависимостью
ε_т.о.= (0,05...0,09)ε_кр,
где ε_т.о. суммарная степень деформации при торцевой осадке, мм;
ε_кр предельно допустимая степень деформации металла при холодной торцевой осадке, мм.

После этого с обкатного пуансона 3 снимают усилие осадки, происходит определенная упругая релаксация по обоим торцам заготовки 1 при сохранении ее контакта с пуансоном 3 и модулем 2, при этом между упомянутыми элементами и заготовкой 1 образуются боковые зазоры.

Осевое вдавливание пуансона 3 в рабочий торец заготовки 1 обуславливает необходимую проработку ее исходной структуры за счет уплотнения и формирования геометрического верхнего ротационного диполя (ГВРД), образованного торцевой фаской заготовки и конической полостью. Кроме того, формируется силовой объемный ротационный диполь (СОРД) из-за несимметричности конического углубления и сферической полости на торцах заготовки (см. фиг. 3).

После снятия усилия осадки, при сохранении статического контакта пуансона 3 и модуля 2 с оппозитными торцами заготовки 1 к последней со стороны пуансона 3 прикладывают усилие обкатки и начинают ее формообразование (см. фиг. 4). При этом первоначально деформированию подвергается верхняя часть заготовки, в зоне образованного при осадке ГВРД.

По мере деформирования ГВРД и наложения его на СОРД создается суммарный силовой диполь (ССД) в деформируемом металле заготовки 1.

По мере формообразования заготовки и нагартовки ее металла частота вынужденных от обкатного пуансона 3 колебаний модуля 2 начинает резко возрастать и при достижении определенной степени деформации и наклепа металла заготовки 1 модуль 2 переводится в состояние хаотических флуктуаций, о чем можно судить по возникновению в обычном рабочем шуме устройства характерного звука высокого тембра типа "металл по металлу".

При дальнейшем деформировании заготовки и повышении степени ее нагартовки, ССД и частоты флуктуаций модуля 2 заготовка 1 также переводится в состояние динамической ротационной неустойчивости и начинает совершать вначале вынужденные перемещения, однонаправленные с орбитальным вращением пуансона 3, что иллюстрируется изменением тембра звучания вышеупомянутого характерного звука "металл по металлу".

При последующем обкатывании заготовки 1 и дальнейшем повышении степени ее наклепа, заготовка переходит в состояние спонтанного колебательно-качественного вращения в направлении, противоположном направлению вращения пуансона 3, что характеризуется изменением постоянного рабочего фона звучания на прерывистый звук наращивающейся высоты.

При продолжении процесса формообразования заготовки через некоторое время наращивание высоты прерывистого звучания прекращается, а затем он пропадает совсем, после этого исчезает звучание "металл по металлу" низкой высоты, что характеризует прекращение перемещений заготовки 1 и модуля 2 соответственно.

Пуансон 3 совершает холостое обкатывание заготовки в течение времени
τ_х.о.= (1,1...1,8)τ_ц,
где τ_х.о. время холостого обкатывания, сек;
τ_ц длительность рабочего цикла формообразования заготовки, сек.

Затем пуансон 3 вхолостую обкатывает отформованную заготовку, при этом производят регламентированные циклические вертикальные перемещения опоры 5 в пределах, допустимых пределом прочности нагартованного металла детали, гарантирующих сохранение его сплошности в местах концентраторов напряжений, что обуславливает многократное реверсивное знакопеременное перемещение металла периферийной кольцевой зоны части заготовки со стороны приложения обкатного усилия.

После этого производят выдержку заготовки в замкнутом инструменте при статическом ее контакте с пуансоном 3 в течение заданного времени, производят при этом регламентированное охлаждение в заданном постоянном магнитном поле с помощью устройства охлаждения 6 и гаммы постоянных магнитов 7 в соответствии с программой формирования эксплуатационных характеристик детали. Отформованную заготовку выдерживают в замкнутом инструменте при статическом контакте с ней обкатного инструмента и опоры в течение времени, равном
τ_в= (2,0...2,6)τ_ц,
где τ_в время выдержки заготовки в инструменте, сек.

Выдержку и последующее охлаждение осуществляют в постоянном магнитном поле, с напряженностью, определяемой зависимостью
Bг_в.п.≥0,6 Bг_м.м.,
где Вг_в.п. напряженность внешнего постоянного магнитного поля, А/м;
Вг_м.м. минимальная напряженность локального массива металла, А/м;
После этого отформованная заготовка с созданным комплексом феноменологических характеристик извлекается из инструмента. Кристаллофизика механизмов, происходящих в материале деформируемой заготовки, находящейся в состоянии динамической неустойчивости, такова: аномально выраженная фрагментированная структура металла заготовки форсированно заторможенной на различных этапах динамически неустойчивого состояния (см. фиг. 8, 9, 10) иллюстрирует участие ротационных мод пластичности аккомодационной пластичности, наличие которых обуславливает появление у каждого макрообъема (фрагмента) металла заготовки еще трех степеней свободы, на которых может рассеивать упругая энергия деформирования.

Пластическая деформация металла с участием ротационных мод реализуется по типу турбулентного перемещения сред вихревого типа, которые рождают крупномасштабные ротационные неустойчивости, возникающие при пластических поворотах границ, несущих полную информацию о морфологии вихрей. Анализируя упомянутую морфологию векторов разориентировки кристаллов можно объемно представить картину вихреобразного течения материала.

Знакопеременный механизм пластического деформирования зон металла заготовки в районе ее торцов, суммарные поля неоднородностей деформации и напряжений накладываются на вихреобразное перемещение металла в автономных объемах заготовки и создают определенные кристаллографические условия для реализации новых мод ротационной пластичности, которые обуславливают перестройку кристаллографической ГЦК (гранецентрированная) структуры исходного металла (немагнитна) на ОЦК (объемно-центрированная) структуру (ферромагнитна), что иллюстрируется рентгенографией фольг металла образцов заготовки, отобранных на различных этапах деформирования заготовки, находящейся в состоянии динамической неустойчивости (см. фиг. 11).

Упомянутая кристаллографическая ротационная перестройка формирует в металле детали феноменологическое сочетание взаимоисключающих свойств "высокая упругость коррозионная стойкость высокая магнитная индукция B_s - стабильная максимальная магнитная проницаемость .

Металлографический эффект в данном способе заключается в том, что ротационные повороты отдельных структурных элементов деформируемого металла реализуются в отдельных объемах деформированного металла, получившего еще незначительную степень суммарной деформации. При этом моды ротации проникают с макро- на мезоуровень и пространственная энергетическая модель поверхности пластической ротации реализуется в форме развитой топологической фигуры, а сами механизмы ротационных поворотов не совпадают по времени с процессом пластического деформирования заготовки, т.е. происходят и после окончания формообразования, выявляя феномен "последеформационного ротационного преобразования".

Таким образом, в заявленном способе реализованы гипотетические предпосылки Пайерсла, Орована, Тейлора и Нишиямы о возможности реализации механизмов ротационной пластичности на кристаллографическом уровне в техпроцессах практического формообразования.

Формула изобретения

1. Способ формирования в парамагнитном материале автономных пространственных массивов металла с дифференцированными ферромагнитными свойствами, заключающийся в размещении заготовки в матрице на опоре и приложении к ней со стороны торца от обкатного инструмента усилий осадки и обкатывания, обеспечивая в процессе формообразования перераспределение компонент фазового состава металла заготовки, отличающийся тем, что перераспределение компонент фазового состава металла заготовки производят до кристаллографического уровня, обеспечивая формирование локальных объемов с дифференцированными ферромагнитными свойствами, для чего заготовку размещают на опоре с возможностью спонтанного качательно-колебательного движения, торцевую осадку и обкатывание заготовки производят поочередно, причем осадку осуществляют до степени деформации, определяемой из следующего соотношения:
ε_т.o= (0,05-0,09)ε_кр,
где ε_т.o суммарная степень деформации при торцевой осадке;
ε_кр предельно допустимая степень деформации металла при холодной торцевой осадке, м,
формируя при этом сферическую полость на опорном торце заготовки и коническое углубление на противоположном торце, после снятия усилия осадки при сохранении статического контакта обкатного инструмента и опоры с соответствующими торцами заготовки к торцу с коническим углублением прикладывают усилие обкатки, обеспечивая прямое выдавливание материала заготовки и кольцевой зазор между опорой и матрицей с одновременным воздействием на выдавливаемый металл в зоне опорного торца пульсирующим усилием раскатки в направлении, перпендикулярном направлению выдавливания металла, при появлении прерывистого звука высокого звучания производят холостое обкатывание заготовки в течение времени, определяемого из следующего соотношения
τ_х.о= (1,1-1,8)τ_ц,
где τ_х.о время холостого обкатывания заготовки, с;
τ_ц длительность рабочего цикла формообразования заготовки, с,
обеспечивая при этом окончательное формирование новых автономных комплексом магниточувствительных характеристик металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отформованную заготовку выдерживают в замкнутом инструменте при статическом контакте с ней обкатного пуансона и опоры в течение времени
τ_в= (2,0-2,6)τ_ц.
3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что отформованную заготовку охлаждают со скоростями, отличными от скорости ее охлаждения на воздухе.

4. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что выдержку и последующее охлаждение заготовки осуществляют в постоянном магнитном поле с напряженностью

где напряженность внешнего постоянного магнитного поля, А/м;
минимальная напряженность внешнего постоянного магнитного локального массива металла заготовки, А/м.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе холостого обкатывания отформованной заготовки производят регламентированные циклические вертикальные перемещения опоры с обеспечением при этом многократного реверсивного знакопеременного перемещения металла периферийной кольцевой зоны части заготовки со стороны приложения усилия обкатки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11