Фрикционная экструзия - Friction extrusion

Фрикционная экструзия это термомеханический процесс которые можно использовать для формирования полностью консолидированной проволоки, прутков, трубок или других некруглых металл формы непосредственно из различных зарядов прекурсоров, включая металлический порошок, хлопья, отходы обработки (стружка или стружка ) или твердый заготовка. Этот процесс дает уникальные и потенциально очень желательные микроструктуры к полученным продуктам. Трение экструзия был изобретен в Институт сварки в Великобритания и запатентованный в 1991 году. Первоначально он был задуман в первую очередь как метод получения однородных микроструктур и распределения частиц в композит с металлической матрицей материалы.[1]

Описание процесса и основных переменных процесса

Рисунок 1. Фрезерный станок с С-образной рамой, модифицированный для экструзии трением. Слева - обзорное изображение, а справа - крупный план механического шпинделя, который обеспечивает умереть вращение и гидроцилиндр, обеспечивающий давление экструзии. Проволока выдавливается вертикально через полую тягу фрезерного станка. Эта конфигурация соответствует прямой экструзии с вращающейся головкой: то есть загрузка (в данном случае заготовка) проталкивается во вращающуюся головку.

Как и в обычных процессах экструзии, при экструзии трением изменение формы осуществляется принудительно за счет принудительного прохождения заряда через умереть. Однако экструзия трением отличается от традиционной экструзии по нескольким ключевым причинам. Важно отметить, что в процессе экструзии трением экструзионная загрузка (заготовка или другой прекурсор) вращается относительно экструзионной головки. Кроме того, как и при обычной экструзии, прилагается сила экструзии, прижимающая заряд к фильере. На практике либо матрица, либо заряд могут вращаться, либо они могут вращаться в противоположных направлениях. Относительное вращательное движение между зарядом и матрицей оказывает несколько существенных влияний на процесс. Во-первых, относительное движение в плоскости вращения приводит к большим касательным напряжениям и, следовательно, к пластической деформации в слое заряда, контактирующем с матрицей и вблизи нее. Этот Пластическая деформация рассеивается за счет процессов восстановления и рекристаллизации, приводящих к значительному нагреву деформирующей шихты. Из-за деформационного нагрева экструзия трением обычно не требует предварительного нагрева загрузки вспомогательными средствами, что потенциально приводит к более энергоэффективному процессу. Во-вторых, значительный уровень пластической деформации в области относительного вращательного движения может способствовать сварке порошков или других мелкодисперсных прекурсоров, таких как хлопья и стружки, в твердом состоянии, эффективно уплотняя заряд (уплотнение трением) перед экструзией.[2] Прокрученные элементы на лицевой стороне вспомогательного материала фильеры перетекают в экструзионное отверстие, что может привести к уменьшению силы экструзии на порядок величины 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, которая является результатом перекристаллизация после завершения деформации: желаемые кристаллографические текстуры также могут быть созданы в процессе, а также возможно формирование нанокомпозитных структур.[4]

Рис. 2. Машина ShAPE ™ в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, способная развивать линейное усилие 100 тонн и крутящий момент 1000 фут-фунт при 500 об / мин.

Исходя из вышеизложенного, можно сказать, что основными контролируемыми параметрами при экструдировании трением обычно являются:

  1. Скорость вращения штампа.
  2. Геометрия штампа.
  3. Сила экструзии перпендикулярна лицевой поверхности матрицы или же, скорость продвижения кристалла в заряд.

Соответствующий ответ параметры включают:

  1. Требуемый крутящий момент и мощность.
  2. Температура экструзии.
  3. Скорость экструзии при экструзии с регулируемым усилием или сила экструзии при экструзии с регулируемой скоростью.
  4. Микроструктура и свойства экструдата.

Оборудование для фрикционной экструзии

Рисунок 3. Процесс экструзии трением хорошо масштабируется. Левый профиль имеет диаметр 7,5 мм, правый - 50 мм. Эти экструзии были выполнены на аппарате для сварки трением TTI.
Рис. 4. Типичная геометрия спиральной головки для изготовления стержня и трубки. Матрицы вращаются так, что прокрутки вспомогательного материала текут к отверстию матрицы.

В принципе, экструзию трением можно выполнять на любой машине, которая может производить необходимые вращательные и линейные движения между фильерой и загрузкой. Примеры включают машины, построенные для сварки трением с перемешиванием, фрезерные станки, модифицированные с учетом сил экструзии, и специальное оборудование для экструзии трением, такое как машина для обработки и экструзии со сдвигом (ShAPE ™) на заводе Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория. На рисунках 1-3 показаны примеры оборудования для фрикционной экструзии и экструдированных продуктов. На Рисунке 4 показаны типичные фрикционные экструзионные матрицы, предназначенные для производства проволоки, прутка и труб. Матрицы вращаются в направлении, которое увеличивает поток материала к экструзионному отверстию во время процесса.

Деформация при экструзии трением

При традиционной экструзии деформация, передаваемая загрузке, слабо определяется степенью экструзии.[5] Коэффициент экструзии - это просто площадь поперечного сечения экструзионной заготовки, A0, деленное на площадь поперечного сечения экструдата, Aж. Тогда деформация выдавливания e = ln (A0/ Аж).

При экструзии трением возникает дополнительная составляющая деформации, которая возникает из-за сдвигового движения вращающейся фильеры, когда она контактирует с зарядом. Деформация, возникающая при вращении матрицы, приводит к избыточной работе, поскольку она не приводит к изменению формы. Чтобы исследовать деформацию из-за сдвига, были проведены исследования с использованием маркерных материалов, внедренных в экструдируемый материал.[6] После экструзии эти материалы обнаруживаются металлографический методы и дают представление о том, как материал течет во время процесса экструзии. На рисунке 5 показан пример того, как величина деформации сдвига изменяется при изменении отношения скорости экструзии к скорости вращения фильеры. В пределе очень высоких скоростей экструзии процесс экструзии трением близко имитирует обычный процесс экструзии в отношении уровней деформации.

Рис. 5. Распределение маркерного провода AA2195 в экструдированном проводе 6061. Маркер вставляли в заготовку на 1/3 радиуса заготовки перед экструзией. Величина сдвига зависит от скорости экструзии относительно скорости вращения фильеры: это соотношение увеличивается от a-h.

Типичная микроструктура, полученная в результате экструзии трением

На рис. 6 показаны поперечное сечение и микроструктура титановой проволоки, полученной экструзией трением порошка Ti-6-4. Примечательно, что поперечное сечение полностью консолидировано, а трансформированная микроструктура b указывает на то, что экструзия, вероятно, произошла около 1000 ° C (выше бета-перехода для сплава). На рис. 7 показан размер зерна и кристаллографическая ориентация, типичные для тонкостенных трубок, экструдированных из хлопьев, полученных методом формования из расплава AZ91.[7] Зерна измельчаются до размера менее 5 мм, а ориентация плоскостей (0001) отклоняется от нормы из-за компонента вращательного сдвига. На рис. 8 показаны примеры труб из магниевого сплава, экструдированных трением. Уплотнение трением также использовалось для уточнения размера зерна и преимущественной ориентации текстуры в функциональных материалах, таких как теллурид висмута термоэлектрики [8] и железо-кремниевые магниты.[9] Примеры эффекта фрикционной экструзии микроструктуры описаны для AZ31,[10][11][12] разные алюминий сплавы [13][14][15][16] и чистая медь.[17]

Рис. 6. В виде экструдированной проволоки, общего сечения и микроструктуры проволоки, полученной экструзией трением порошка Ti-6-4.
Рис. 7. Размер зерна и развитие текстуры в трубе, экструдированной трением, изготовленной непосредственно из хлопьев, полученных методом формования из расплава AZ91 (магниевый сплав).
Рис. 8. Трубы из магниевого сплава ZK60, экструдированные из литой заготовки с помощью машины ShAPE в Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории. Экструдированные трубки демонстрируют желаемую микроструктуру и кристаллографическую текстуру, которые повышают их пластичность и способность поглощать энергию деформации по сравнению с трубками, экструдированными традиционным способом.[3][7]

Потенциал фрикционной экструзии для коммерциализации

  1. Стальные трубы, устойчивые к ползучести.
  2. Легкие конструкции из магния и алюминия.
  3. Материалы с повышенными тепловыми свойствами.
  4. Переработка алюминиевых отходов механической обработки и стружки.
  5. Нанокомпозитные функциональные материалы.

Преимущества и недостатки по сравнению с обычной экструзией

Преимущества

  1. Возможность значительно снизить энергопотребление и усилие экструзии по сравнению с традиционной экструзией за счет вращательного сдвига, генерирующего необходимое технологическое тепло, и спиральных элементов, способствующих потоку материала в экструзионное отверстие.[3]
  2. Экструзия трением позволяет измельчать микроструктуру от порошка / хлопьев / стружки (снизу вверх) и сплошных заготовок (сверху вниз).[2][3][7][18]
  3. Позволяет экструзию материалов, таких как Mg2Si, который нельзя легко экструдировать обычными способами.[19]
  4. В качестве твердофазного процесса экструзию трением можно проводить при низкой температуре, тем самым сохраняя наноразмерные вторые фазы и частицы, присутствующие в исходном материале. Позволяет изготавливать объемные нанокомпозитные материалы.[4][7][19][20]
  5. Обеспечивает улучшенные объемные свойства, такие как поглощение энергии в магниевых сплавах.[19]

Недостатки

  1. Скорость экструзии, конкурентоспособная по сравнению с обычными экструзионными процессами, еще не продемонстрирована.
  2. Однородность микроструктуры и свойств материала трудно получить в плоскости, перпендикулярной направлению экструзии, поскольку приложенная деформация неоднородна.[6]
  3. Полный диапазон масштабируемости процессов не оценивался.

Рекомендации

  1. ^ «Формование металлических композиционных материалов путем объединения основных материалов под действием сдвига» Патент США № 5262123 A, изобретатели: У. Томас, Э. Николас и С. Джонс, первоначальный правопреемник: Институт сварки.
  2. ^ а б Tang, W .; Рейнольдс, А.П. (2010). «Производство проволоки методом фрикционной экструзии стружки из алюминиевого сплава». Журнал технологий обработки материалов. 210 (15): 2231–2237. Дои:10.1016 / j.jmatprotec.2010.08.010.
  3. ^ а б c d «Расширенное производство тонкостенных трубок из магния ZK60 с использованием обработки и экструзии со сдвигом (ShAPE ™)», С. Уэлен, В. Джоши, Н. Оверман, Д. Колдуэлл, К. Лавендер, Т. Скшек, Magnesium Technology , 315-321, 2017.
  4. ^ а б «Распределение дисперсоидов и микроструктура в сплаве с дисперсионным упрочнением на основе ферритного оксида Fe-Cr-Al, полученном консолидацией трения», Д. Каталини, Д. Кауми, А.П. Рейнольдс, Г. Грант, Металлургия и материалы транзакции A, т. 46, вып. 10. С. 4730–4739, 2015.
  5. ^ «Процессы производства технических материалов, 5-е изд.», С. Калпакчян и С. Р. Шмид, ISBN  0132272717, стр. 307-314, 2008.
  6. ^ а б «Деформация и текстура при экструзии алюминиевой проволоки трением», X. Li, W. Tang, AP Reynolds, WA Tayon, CA Brice, Journal of Materials Processing Technology, v. 229, pp. 191-198, 2016.
  7. ^ а б c d «Развитие микроструктуры быстро затвердевающих чешуек AZ91E, консолидированных путем обработки и экструзии со сдвигом (ShAPE ™)», Н. Оверман, С. Уэлен, М. Ольшта, К. Круска, Дж. Дарселл, В. Джоши, X. Цзян, К. Маттлин, Э. Стивенс, Т. Кларк, С. Матауду, Материаловедение и инженерия A, 701, стр. 56-68, 2017.
  8. ^ «Обработка фрикционным уплотнением термоэлектрического материала на основе теллурида висмута n-типа», S. Whalen, S. Jana, D. Catalini, N. Overman, J. Sharp, Journal of Electronic Materials, 45 (7), стр. 3390-3399 , 2016 г.
  9. ^ «Уплотнение трением распыленных газом порошков Fe-Si для магнитомягких применений», X. Jiang, S. Whalen, J. Darsell, S. Mathaudhu, N. Overman, Materials Characterization, v. 123, pp. 166-172, 2017 г.
  10. ^ Дж. Милнер, Ф. Абу-Фарха, «Эволюция микроструктуры и ее связь с механическими свойствами трубок Mg AZ31B, экструдированных трением с обратным перемешиванием», Magnesium Technology, стр. 263-268, 2014
  11. ^ «Численная модель для прогнозирования целостности проволоки при экструзии магниевых сплавов с трением с перемешиванием», Д. Баффари, Г. Буффа, Л. Фратини, Журнал технологий обработки материалов, стр. 1-10, 2017
  12. ^ «Переработка магниевого сплава AZ31 посредством процесса экструзии с трением с перемешиванием», Г. Буффа, Д. Кампанелла, Л. Фратини, Ф. Микари, Международный журнал материаловедения, 1-6, 2015 г.
  13. ^ «Предварительное исследование возможности экструзии с обратным перемешиванием трением», Ф. Абу-Фарха, Scripta Materialia, 66, стр. 615-618, 2012.
  14. ^ «Производство проволоки из алюминиевой стружки AA7277 методом экструзии с трением и перемешиванием (FSE)», Р. Бенах, Р. Махдавинежад, А. Йивари, М. Абдолла, М. Нарван, Metallurgical and Materials Transactions B, 45: 4, стр. 1484–1489, 2014 г.
  15. ^ «Эволюция микроструктуры и механические свойства трубчатого алюминия, полученного экструзией с трением и перемешиванием», М. Хоррами, М. Мовахеди, Материалы и дизайн, 65, стр. 74-79, 2015
  16. ^ «Прямое твердофазное преобразование перерабатываемых металлов и сплавов», В. Манчираджу, Заключительный технический отчет DE-EE0003458, Национальная лаборатория Ок-Ридж, 2012 г.
  17. ^ «Микроструктурные характеристики трубок из чистой меди, изготовленных новым методом - экструзией с трением с перемешиванием», И. Динахаран, Р. Сатискумар, С. Виджай, Н. Муруган, «Наука о материалах», 5, стр. 1502–1508, 2015
  18. ^ Баффари, Дарио; Рейнольдс, Энтони П .; Ли, Сяо; Фратини, Ливан (2017). «Влияние параметров обработки и начального состояния на экструзию с трением с перемешиванием алюминиевого сплава 2050». Журнал производственных процессов. 28: 319–325. Дои:10.1016 / j.jmapro.2017.06.013.
  19. ^ а б c «Высокая деформация сдвига для обеспечения высокой прочности и поглощения энергии в сплавах Mg», В. Джоши, С. Яна, Д. Ли, Х. Гарместани, Э. Ниберг, К. Лавендер, стр. 83-88, Magnesium Technology, 2014
  20. ^ Каталини, Дэвид; Кауми, Джамель; Рейнольдс, Энтони П .; Грант, Гленн Дж. (2013). «Уплотнение трения порошка МА956». Журнал ядерных материалов. 442 (1–3): S112 – S118. Bibcode:2013JNuM..442S.112C. Дои:10.1016 / j.jnucmat.2012.11.054.