Vytlačování tření - Friction extrusion

Vytlačování tření je termomechanický proces které lze použít k vytvoření zcela zpevněného drátu, tyčí, trubek nebo jiných nekruhových tvarů kov tvary přímo z různých prekurzorových náplní včetně kovového prášku, vloček, odpadu z obrábění (třísky nebo tříska ) nebo pevné sochor. Tento proces dodává jedinečné a potenciálně velmi žádoucí mikrostruktury k výsledným produktům. Tření vytlačování byl vynalezen v Svařovací institut v Spojené království a patentováno v roce 1991. Původně byla zamýšlena především jako metoda produkce homogenních mikrostruktur a distribuce částic v kompozit s kovovou matricí materiály.[1]

Popis procesu a základní procesní proměnné

Obrázek 1. Frézka s rámem C upravená pro protlačování třením. Vlevo je přehledný obrázek a vpravo je zblízka mechanické vřeteno, které poskytuje zemřít otáčení a hydraulický válec, který zajišťuje vytlačovací tlak. Drát je vytlačován svisle přes duté táhlo frézky. Tato konfigurace odpovídá přímému vytlačování s rotující matricí: tj. Vsázka (v tomto případě sochor) se zatlačí do rotující matrice.

Stejně jako v konvenčních vytlačovacích procesech, i při třecím vytlačování je změna tvaru vynucena na náboji vynucením jeho průchodu zemřít. Avšak třecí protlačování se liší od konvenčního protlačování několika klíčovými způsoby. Kriticky se v procesu tření extruzí rotuje vytlačovací dávka (sochor nebo jiný předchůdce) vzhledem k vytlačovací matrici. Navíc, podobně jako u běžného vytlačování, se aplikuje vytlačovací síla tak, aby tlačila náboj proti matrici. V praxi se může matrice nebo náplň otáčet nebo mohou být protiběžné. Relativní rotační pohyb mezi náplní a matricí má na proces několik významných účinků. Za prvé, relativní pohyb v rovině otáčení vede k velkým smykovým napětím, tedy k plastické deformaci ve vrstvě náboje v kontaktu s matricí a v její blízkosti. Tento plastická deformace je rozptýlen procesy regenerace a rekrystalizace vedoucí k podstatnému zahřátí deformujícího náboje. Kvůli deformačnímu ohřevu třecí protlačování obecně nevyžaduje předehřívání vsázky pomocnými prostředky, což může vést k energeticky účinnějšímu procesu. Zadruhé, podstatná úroveň plastické deformace v oblasti relativního rotačního pohybu může podporovat svařování prášků nebo jiných jemně rozdělených prekurzorů v pevné fázi, jako jsou vločky a třísky, a účinně tak konsolidovat náboj (třecí konsolidaci) před vytlačováním.[2] Rolované prvky na povrchu pomocného materiálu pro hubici proudí do vytlačovacího otvoru, což může vést k řádovému snížení vytlačovací síly ve srovnání s běžnými vytlačováním ekvivalentního průřezu.[3] Zatřetí, kombinované účinky zvýšené teploty a vysokých úrovní deformace obvykle vedou extrudát k relativně jemné, rovnoměrné struktuře zrna, která je výsledkem rekrystalizace po závěru deformace: procesem mohou být také vytvořeny žádoucí krystalografické textury a je také možná tvorba nanokompozitních struktur.[4]

Obrázek 2. Stroj ShAPE ™ v Pacific Northwest National Laboratory schopný 100tunové lineární síly a 1000 ft-lb točivého momentu při 500 otáčkách za minutu.

Na základě výše uvedeného lze říci, že základní regulované parametry při tření jsou obvykle:

  1. Rychlost rotace matrice.
  2. Geometrie matrice.
  3. Vytlačovací síla kolmá na tvář lisovnice nebo, rychlost postupu kostky do náboje.

Odpovídající odpověď parametry zahrnout:

  1. Požadovaný točivý moment a výkon.
  2. Teplota vytlačování.
  3. Rychlost vytlačování v silově řízeném vytlačování nebo vytlačovací síla v vytlačování řízeném rychlostí.
  4. Mikrostruktura a vlastnosti extrudátu.

Třecí vytlačovací zařízení

Obrázek 3. Proces protlačování třením je vysoce škálovatelný. Vytlačování na levé straně má průměr 7,5 mm, ten na pravé straně má průměr 50 mm. Tyto extruze byly prováděny na TTI třecím sirovém svařovacím stroji.
Obrázek 4. Typické geometrie rolovací matrice pro výrobu tyče a trubice. Matrice se otáčejí tak, že svitky napomáhají toku materiálu směrem k otvoru matrice.

V principu lze třecí protlačování provádět na jakémkoli stroji, který může produkovat požadované rotační a lineární pohyby mezi matricí a náplní. Mezi příklady patří stroje konstruované pro svařování třením za míchání, frézky upravené tak, aby vyhovovaly vytlačovacím silám, a účelová zařízení pro třecí vytlačování, jako je stroj na zpracování a vytlačování ve smyku (ShAPE ™) na Pacific Northwest National Laboratory. Obrázky 1-3 zobrazují příklady zařízení pro protlačování třením a extrudovaných produktů. Obrázek 4 ukazuje typické třecí vytlačovací matrice určené pro výrobu drátu, tyče a trubky. Matrice se otáčejí ve směru, který zvyšuje tok materiálu směrem k vytlačovacímu otvoru během procesu.

Kmen při tření

V konvenčním vytlačování je napětí předávané náboji volně definováno poměrem vytlačování.[5] Poměr vytlačování je jednoduše plocha průřezu vytlačovaného sochoru A0, děleno plochou průřezu extrudátu, AF. Vytlačovací napětí je pak e = ln (A0/AF).

Při třecím vytlačování existuje další deformační složka, která vznikne smykovým pohybem rotující matrice při jejím kontaktu s nábojem. Kmen způsobený rotací matrice vede k nadbytečné práci, protože nedochází ke změně tvaru. Za účelem zkoumání deformace v důsledku střihu byly provedeny studie s markerovými materiály zabudovanými do extrudovaného materiálu.[6] Po vytlačování jsou tyto materiály detekovány pomocí metalografické metody a poskytují přehled o způsobu, jakým materiál proudí během procesu vytlačování. Obrázek 5 ukazuje příklad toho, jak se mění velikost smykové deformace se měnícími se poměry rychlosti vytlačování k rychlosti otáčení nástroje. V mezích velmi vysokých rychlostí vytlačování proces tření vytlačováním úzce napodobuje konvenční proces vytlačování s ohledem na úrovně přetvoření.

Obrázek 5. Distribuce značkovacího drátu AA2195 v extrudovaném drátu 6061. Značka byla vložena do sochoru v 1/3 poloměru sochoru před vytlačováním. Míra střihu je funkcí rychlosti vytlačování ve vztahu k rychlosti otáčení nástroje: tento poměr se zvyšuje od a-h.

Typická mikrostruktura vyplývající z protlačování třením

Obrázek 6 ukazuje průřez a mikrostrukturu titanového drátu vyrobeného protlačováním prášku Ti-6-4 třením. Je pozoruhodné, že průřez je plně zpevněn a transformovaná mikrostruktura b naznačuje, že k extruzi pravděpodobně došlo v blízkosti 1000 ° C (nad beta transusem pro slitinu). Obrázek 7 ukazuje velikost zrna a krystalografickou orientaci typickou pro tenkostěnné trubičky extrudované z vloček tavených při AZ91.[7] Zrna jsou rafinována na méně než 5 mm a orientace rovin (0001) je mimo normální kvůli rotační smykové složce. Obrázek 8 ukazuje příklady trubek ze slitiny hořčíkové extrudované tření. Třecí konsolidace se také použila k upřesnění velikosti zrna a přednostně k orientaci textury ve funkčních materiálech, jako jsou telurid bismutitý termoelektrika [8] a železo-křemíkové magnety.[9] Příklady účinků tření mikrostruktury byly hlášeny pro AZ31,[10][11][12] rozličný hliník slitiny [13][14][15][16] a čistá měď.[17]

Obrázek 6. Jako extrudovaný drát, celkový průřez a mikrostruktura drátu vyrobeného protlačováním prášku Ti-6-4 třením.
Obrázek 7. Velikost zrna a vývoj textury ve třecí extrudované trubce vyrobené přímo z AZ91 (slitina hořčíku) zvlákňované z vločky.
Obrázek 8. Třecí extrudované trubky ze slitiny hořčíku ZK60 extrudované z litého sochoru pomocí stroje ShAPE v Pacific Northwest National Laboratory. Extrudované trubky vykazují požadovanou mikrostrukturu a krystalografickou strukturu, což zvyšuje jejich tažnost a schopnost absorbovat deformační energii ve srovnání s konvenčně extrudovanými trubkami.[3][7]

Potenciál třecího vytlačování pro komercializaci

  1. Ocelové potrubí odolné proti tečení.
  2. Lehké hořčíkové a hliníkové konstrukce.
  3. Materiály se zvýšenými tepelnými vlastnostmi.
  4. Recyklace odpadu a třísek z obrábění hliníku.
  5. Nanokompozitní funkční materiály.

Výhody a nevýhody související s konvenčním vytlačováním

Výhody

  1. Potenciál pro výrazně nižší spotřebu energie a vytlačovací sílu ve srovnání s běžným vytlačováním v důsledku rotačního střihu generujícího potřebné procesní teplo a vlastnosti rolování napomáhající toku materiálu do vytlačovacího otvoru.[3]
  2. Vytlačovací tření je schopné rafinovat mikrostrukturu z prášku / vloček / čipů (zdola nahoru) a pevných sochorů (shora dolů).[2][3][7][18]
  3. Umožňuje vytlačování materiálů, například Mg2Si, který nelze běžnými způsoby snadno vytlačit.[19]
  4. Jako proces v pevné fázi může být třecí protlačování prováděno při nízké teplotě, čímž se udrží druhé nanoměřítkové fáze a částice přítomné v prekurzorovém materiálu. Umožňuje výrobu sypkých nanokompozitních materiálů.[4][7][19][20]
  5. Umožňuje vylepšené hromadné vlastnosti, jako je absorpce energie ve slitinách hořčíku.[19]

Nevýhody

  1. Míra vytlačování konkurenceschopná s konvenčními procesy vytlačování ještě musí být prokázána.
  2. Rovnoměrnosti mikrostruktury a vlastností materiálu je obtížné dosáhnout v rovině kolmé ke směru vytlačování, protože vnucené přetvoření je nerovnoměrné.[6]
  3. Celá škálovatelnost procesu nebyla posouzena.

Reference

  1. ^ „Tváření kovových kompozitních materiálů tlakem na základní materiály ve smyku“ US patent č. 5262123 A, vynálezci: W. Thomas, E. Nicholas a S. Jones, původní postupník: The Welding Institute.
  2. ^ A b Tang, W .; Reynolds, A.P. (2010). "Výroba drátu třecím vytlačováním třísek na obrábění hliníkových slitin". Journal of Technology Processing Technology. 210 (15): 2231–2237. doi:10.1016 / j.jmatprotec.2010.08.010.
  3. ^ A b C d „Škálovaná výroba tenkostěnných hořčíkových trubek ZK60 pomocí smykového zpracování a vytlačování (ShAPE ™)“, S. Whalen, V. Joshi, N. Overman, D. Caldwell, C. Lavender, T. Skszek, Magnesium Technology 315-321, 2017.
  4. ^ A b „Disperzní distribuce a mikrostruktura ve slitině vyztužené disperzí feritického oxidu Fe-Cr-Al připravené frikční konsolidací“, D. Catalini, D. Kaoumi, AP Reynolds, G. Grant, Metallurgical and Materials Transactions A, v. 46, no. 10, s. 4730–4739, 2015.
  5. ^ „Manufacturing Processes for Engineering Materials, 5th ed.“, S. Kalpakjian a S. R. Schmid, ISBN  0132272717, str. 307 - 314, 2008.
  6. ^ A b „Kmen a struktura ve třecím vytlačování hliníkového drátu“, X. Li, W. Tang, AP Reynolds, WA Tayon, CA Brice, Journal of Materials Processing Technology, v. 229, str. 191-198, 2016.
  7. ^ A b C d „Mikrostrukturní vývoj rychle ztuhlých vloček AZ91E konsolidovaných zpracováním a protlačováním ve smyku (ShAPE ™)“, N. Overman, S. Whalen, M. Olszta, K. Kruska, J. Darsell, V. Joshi, X. Jiang, K Mattlin, E. Stephens, T. Clark, S. Mathaudhu, Materials Science and Engineering A, 701, s. 56-68, 2017.
  8. ^ „Zpracování tření konsolidace termoelektrického materiálu bismut-teluridu typu n“, S. Whalen, S. Jana, D. Catalini, N. Overman, J. Sharp, Journal of Electronic Materials, 45 (7), str. 3390-3399 , 2016
  9. ^ „Třecí konsolidace prášků Fe-Si atomizovaných plynem pro aplikace měkké magnetiky“, X. Jiang, S. Whalen, J. Darsell, S. Mathaudhu, N. Overman, Materials Characterization, v. 123, s. 166-172, 2017
  10. ^ J. Milner, F. Abu-Farha, „Mikrostrukturní evoluce a její vztah k mechanickým vlastnostem extrudovaných trubek Mg AZ31B s třením a mícháním zpět“, Magnesium Technology, str. 263-268, 2014
  11. ^ „Numerický model pro predikci integrity drátu při extruzi slitin hořčíku třením“, D. Baffari, G. Buffa, L. Fratini, Journal of Materials Processing Technology, pp. 1. – 10. 2017
  12. ^ „Recyklace hořčíkové slitiny AZ31 procesem protlačování třením“, G. Buffa, D. Campanella, L. Fratini, F. Micari, International Journal of Material Forming, 1-6, 2015
  13. ^ „Předběžná studie proveditelnosti protlačování třením“, F. Abu-Farha, Scripta Materialia, 66, s. 615-618, 2012.
  14. ^ „Výroba drátu z hliníkových třísek AA7277 pomocí tření a míchání (FSE)“, R. Behnagh, R. Mahdavinejad, A. Yivari, M. Abdollah, M. Narvan, Metallurgical and Materials Transaction B, 45: 4, str. 1484–1489, 2014
  15. ^ „Evoluce mikrostruktury a mechanické vlastnosti trubicového hliníku vyrobeného protlačováním při tření“, M. Khorrami, M. Movahedi, Materials and Design, 65, str. 74-79, 2015
  16. ^ „Přímá přeměna recyklovatelných kovů a slitin v pevné fázi“, V. Manchiraju, závěrečná technická zpráva DE-EE0003458, Národní laboratoř Oak Ridge, 2012
  17. ^ „Mikrostrukturální charakterizace trubek z čisté mědi vyráběných novou metodou - protlačování třením třením“, I. Dinaharan, R. Sathiskumar, S. Vijay, N. Murugan, Procedia Materials Science, 5, s. 1502–1508, 2015
  18. ^ Baffari, Dario; Reynolds, Anthony P .; Li, Xiao; Fratini, Livan (2017). "Vliv parametrů zpracování a počátečního temperování na extruzi třením z hliníkové slitiny 2050". Journal of Manufacturing Processes. 28: 319–325. doi:10.1016 / j.jmapro.2017.06.013.
  19. ^ A b C „High shear deformation to produce high pevnost a absorpce energie ve slitinách Mg“, V. Joshi, S. Jana, D. Li, H. Garmestani, E. Nyberg, C. Lavender, str. 83-88, Magnesium Technology, 2014
  20. ^ Catalini, David; Kaoumi, Djamel; Reynolds, Anthony P .; Grant, Glenn J. (2013). "Konsolidace tření prášku MA956". Journal of Nuclear Materials. 442 (1–3): S112 – S118. Bibcode:2013JNuM..442S.112C. doi:10.1016 / j.jnucmat.2012.11.054.