Sürtünme ekstrüzyonu - Friction extrusion

Sürtünme ekstrüzyonu bir termo-mekanik süreç tamamen birleştirilmiş tel, çubuklar, borular veya diğer dairesel olmayanlar oluşturmak için kullanılabilen metal doğrudan metal tozu, pul, işleme atığı (cips veya talaş ) veya katı kütük. Süreç, benzersiz ve potansiyel olarak oldukça arzu edilir mikro yapılar ortaya çıkan ürünlere. Sürtünme ekstrüzyon icat edildi Kaynak Enstitüsü içinde İngiltere ve patentli Başlangıçta, homojen mikro yapıların ve partikül dağılımlarının üretimi için bir yöntem olarak tasarlandı. metal matris kompozit malzemeler.[1]

Süreç ve Temel Süreç Değişkenlerinin Tanımı

Şekil 1. Sürtünmeli ekstrüzyon için modifiye edilmiş C-çerçeve freze makinesi. Solda bir genel bakış resmi ve sağda mekanik milin yakın bir görünümü vardır. ölmek rotasyon ve ekstrüzyon basıncını sağlayan hidrolik silindir. Tel, freze makinesinin içi boş çekme çubuğundan dikey olarak ekstrüde edilir. Bu konfigürasyon, dönen bir kalıpla doğrudan ekstrüzyona karşılık gelir: yani yük (bu durumda kütük) dönen kalıba itilir.

Geleneksel ekstrüzyon işlemlerinde olduğu gibi, sürtünmeli ekstrüzyonda, bir şekil değişikliği, bir ölmek. Bununla birlikte, sürtünmeli ekstrüzyon, birkaç temel yolla geleneksel ekstrüzyondan farklıdır. Kritik olarak, sürtünmeli ekstrüzyon işleminde, ekstrüzyon yükü (kütük veya diğer öncü) ekstrüzyon kalıbına göre döner. Ek olarak, geleneksel ekstrüzyona benzer şekilde, yükü kalıba doğru itmek için bir ekstrüzyon kuvveti uygulanır. Pratikte, kalıp veya yük dönebilir veya ters yönde dönebilir. Yük ve kalıp arasındaki göreceli dönme hareketi, işlem üzerinde birkaç önemli etkiye sahiptir. Birincisi, dönme düzlemindeki göreceli hareket, büyük kayma gerilimlerine, dolayısıyla kalıpla temas halindeki ve yakınındaki yük tabakasında plastik deformasyona yol açar. Bu plastik bozulma deforme edici yükün önemli ölçüde ısınmasına yol açan geri kazanım ve yeniden kristalleştirme süreçleri tarafından dağıtılır. Deformasyon ısıtması nedeniyle, sürtünmeli ekstrüzyon genellikle yükün yardımcı vasıtalarla önceden ısıtılmasını gerektirmez ve potansiyel olarak daha enerji verimli bir işlemle sonuçlanır. İkinci olarak, göreceli dönme hareketi bölgesindeki önemli plastik deformasyon seviyesi, tozların veya pullar ve talaşlar gibi diğer ince bölünmüş öncüllerin katı halde kaynağını teşvik edebilir ve ekstrüzyondan önce yükü etkili bir şekilde sağlamlaştırabilir (sürtünme konsolidasyonu).[2] Kalıp yardımcı malzemesinin yüzündeki kaydırılmış özellikler, eşdeğer enine kesitli geleneksel ekstrüzyonlara kıyasla ekstrüzyon kuvvetinde büyüklük derecesinde azalmaya yol açabilen ekstrüzyon deliğine akar.[3] Üçüncüsü, yüksek sıcaklık ve yüksek deformasyon seviyelerinin birleşik etkileri, normal olarak ekstrüdatın nispeten ince, eş eksenli bir tanecik yapısına sahip olmasına neden olur ve yeniden kristalleşme Deformasyonun tamamlanmasından sonra: arzu edilen kristalografik dokular da prosesle yaratılabilir ve nanokompozit yapıların oluşumu da mümkündür.[4]

Şekil 2. Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı'ndaki ShAPE ™ makinesi, 500 rpm'de 100 ton doğrusal kuvvet ve 1000 ft-lb tork kapasitesine sahiptir.

Yukarıdakilere dayanarak, sürtünmeli ekstrüzyondaki temel kontrollü parametrelerin tipik olarak şunlar olduğu söylenebilir:

  1. Kalıp dönüş hızı.
  2. Kalıp geometrisi.
  3. Kalıp yüzüne normal ekstrüzyon kuvveti veya, ölme oranı yüke ilerler.

Karşılık gelen yanıt parametreleri Dahil etmek:

  1. Gerekli tork ve güç.
  2. Ekstrüzyon sıcaklığı.
  3. Kuvvet kontrollü ekstrüzyonda ekstrüzyon hızı veya hız kontrollü ekstrüzyonda ekstrüzyon kuvveti.
  4. Ekstrüdat mikroyapısı ve özellikleri.

Sürtünme Ekstrüzyon Ekipmanları

Şekil 3. Sürtünmeli ekstrüzyon işlemi oldukça ölçeklenebilir. Soldaki ekstrüzyonun çapı 7,5 mm, sağdakinin çapı ise 50 mm'dir. Bu ekstrüzyonlar bir TTI sürtünmeli kaynak makinesinde yapıldı.
Şekil 4. Çubuk ve tüp yapmak için tipik kalıp kaydırma geometrileri. Kalıplar, malzemenin kalıp açıklığına doğru akmasına yardımcı olacak şekilde döndürülür.

Prensip olarak, kalıp ve yük arasında gerekli döner ve doğrusal hareketleri üretebilen herhangi bir makinede sürtünmeli ekstrüzyon gerçekleştirilebilir. Örnekler arasında sürtünmeli karıştırma kaynağı için yapılmış makineler, ekstrüzyon kuvvetlerini barındıracak şekilde modifiye edilmiş freze makineleri ve tesisteki kesme destekli işleme ve ekstrüzyon (ShAPE ™) makinesi gibi amaca yönelik olarak inşa edilmiş sürtünmeli ekstrüzyon ekipmanı bulunmaktadır. Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı. Şekil 1-3, sürtünmeli ekstrüzyon ekipmanı ve ekstrüde edilmiş ürünlerin örneklerini göstermektedir. Şekil 4, tel, çubuk ve boru üretimi için tasarlanmış tipik sürtünmeli ekstrüzyon kalıplarını göstermektedir. Kalıplar, işlem sırasında ekstrüzyon deliğine doğru malzeme akışını artıran yönde döndürülür.

Sürtünme Ekstrüzyonunda Gerilme

Geleneksel ekstrüzyonda, yüke uygulanan gerilim, ekstrüzyon oranı ile gevşek bir şekilde tanımlanır.[5] Ekstrüzyon oranı, basitçe ekstrüzyon kütüğünün kesit alanıdır, A0, ekstrüdatın enine kesit alanına bölünür, Af. Ekstrüzyon suşu daha sonra e = ln (A0/ Af).

Sürtünmeli ekstrüzyonda, yüke temas ederken dönen kalıbın kesme hareketinden ortaya çıkacak ek bir gerinim bileşeni vardır. Kalıbın dönüşü ile üretilen gerilim, bir şekil değişikliği gerçekleştirmediği için fazlalık işle sonuçlanır. Kesilmeden kaynaklanan gerilmeyi araştırmak için ekstrüde edilecek malzeme içerisine gömülü işaretleyici malzemelerle çalışmalar yapılmıştır.[6] Ekstrüzyondan sonra bu malzemeler tarafından tespit edilir metalografik yöntemler ve ekstrüzyon işlemi sırasında malzemenin nasıl aktığı konusunda fikir verir. Şekil 5, çekme gerilimi miktarının, ekstrüzyon hızının kalıp dönüş hızına değişen oranları ile nasıl değiştiğine dair bir örneği göstermektedir. Çok yüksek ekstrüzyon hızlarının sınırında, sürtünmeli ekstrüzyon işlemi, gerilme seviyelerine göre geleneksel ekstrüzyon işlemini yakından taklit eder.

Şekil 5. AA2195 işaret telinin ekstrüde 6061 teldeki dağılımı. İşaretçi, ekstrüzyondan önce kütük yarıçapının 1 / 3'ünde kütüğün içine yerleştirildi. Kesme miktarı, kalıp dönüş hızına göre ekstrüzyon hızının bir fonksiyonudur: bu oran a-h'den artar.

Sürtünme ekstrüzyonundan kaynaklanan tipik mikro yapı

Şekil 6, Ti-6-4 tozunun sürtünmeli ekstrüzyonu ile üretilen bir titanyum telin enine kesitini ve mikro yapısını göstermektedir. Özellikle, enine kesit tamamen sağlamlaştırılmıştır ve dönüştürülmüş b mikro yapısı, ekstrüzyonun muhtemelen 1000 ° C civarında (alaşım için beta transusun üzerinde) gerçekleştiğini gösterir. Şekil 7, AZ91 eriyik bükülmüş puldan ekstrüde edilen ince duvarlı boruların tipik tanecik boyutunu ve kristalografik oryantasyonunu gösterir.[7] Taneler, 5 mm'den daha az olacak şekilde rafine edilir ve (0001) düzlemlerinin oryantasyonu, döner kesme bileşeni nedeniyle normal dışıdır. Şekil 8, sürtünmeli ekstrüde edilmiş magnezyum alaşımlı tüplerin örneklerini göstermektedir. Sürtünme konsolidasyonu ayrıca tane boyutunu iyileştirmek ve tercihli olarak dokuyu yönlendirmek için kullanılır. bizmut tellür termoelektrik [8] ve demir-silikon mıknatıslar.[9] AZ31 için mikro yapının sürtünme ekstrüzyonunun etkisinin örnekleri bildirilmiştir,[10][11][12] çeşitli alüminyum alaşımlar [13][14][15][16] ve saf bakır.[17]

Şekil 6. Ekstrüde tel olarak, Ti-6-4 tozunun sürtünme ekstrüzyonuyla üretilen bir telin genel kesiti ve mikro yapısı.
Şekil 7. Doğrudan AZ91 (magnezyum alaşımı) eriyik bükülmüş puldan üretilen sürtünmeli ekstrüde edilmiş bir tüpteki tane boyutu ve doku gelişimi.
Şekil 8. Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı'nda ShAPE makinesi kullanılarak bir döküm kütükten ekstrüde edilmiş magnezyum alaşımlı ZK60'ın sürtünmeli ekstrüde tüpleri. Ekstrüde tüpler, geleneksel olarak ekstrüde edilmiş tüplere kıyasla sünekliklerini ve deformasyon enerjisini absorbe etme kabiliyetlerini artıran arzu edilen mikro yapı ve kristalografik doku sergiler.[3][7]

Ticarileştirme için Sürtünmeli Ekstrüzyon Potansiyeli

  1. Sürünmeye dayanıklı çelik borular.
  2. Hafif magnezyum ve alüminyum yapılar.
  3. Gelişmiş termal özelliklere sahip malzemeler.
  4. Alüminyum işleme atıklarının ve talaşının geri dönüşümü.
  5. Nanokompozit fonksiyonel malzemeler.

Geleneksel Ekstrüzyona Göre Avantajlar ve Dezavantajlar

Avantajlar

  1. Ekstrüzyon deliğine malzeme akışına yardımcı olan gerekli proses ısısını ve kaydırma özelliklerini üreten döner kesme nedeniyle geleneksel ekstrüzyona kıyasla önemli ölçüde daha düşük güç tüketimi ve ekstrüzyon kuvveti potansiyeli.[3]
  2. Sürtünme ekstrüzyonu, mikro yapıyı toz / pul / yonga (aşağıdan yukarıya) ve katı kütüklerden (yukarıdan aşağıya) rafine edebilir.[2][3][7][18]
  3. Mg gibi malzemelerin ekstrüzyonunu sağlar2Geleneksel yollarla kolayca ekstrüde edilemeyen Si.[19]
  4. Katı fazlı bir işlem olarak, sürtünmeli ekstrüzyon, düşük sıcaklıkta yapılabilir, böylece nano ölçekli ikinci fazlar ve öncü malzemede bulunan partiküller korunur. Hacimli nanokompozit malzemelerin imalatını sağlar.[4][7][19][20]
  5. Magnezyum alaşımlarında enerji emilimi gibi gelişmiş yığın özelliklerini etkinleştirir.[19]

Dezavantajları

  1. Geleneksel ekstrüzyon işlemleriyle rekabet eden ekstrüzyon oranları henüz gösterilmemiştir.
  2. Mikroyapı ve malzeme özelliklerinin tekdüzeliğinin ekstrüzyon yönüne dik düzlemde elde edilmesi zordur çünkü empoze edilen gerilme tekdüze değildir.[6]
  3. Tüm süreç ölçeklenebilirliği değerlendirilmemiştir.

Referanslar

  1. ^ "Temel malzemeleri kesme altında bir araya getirerek metalik kompozit malzemelerin oluşturulması" 5262123 A numaralı ABD patenti, Mucitler: W. Thomas, E. Nicholas ve S. Jones, Orijinal Temsilci: Kaynak Enstitüsü.
  2. ^ a b Tang, W .; Reynolds, A.P. (2010). "Alüminyum alaşımlı işleme yongalarının sürtünme ekstrüzyonu yoluyla tel üretimi". Malzeme İşleme Teknolojisi Dergisi. 210 (15): 2231–2237. doi:10.1016 / j.jmatprotec.2010.08.010.
  3. ^ a b c d "Kesme destekli işleme ve ekstrüzyon (ShAPE ™) kullanarak ince duvarlı magnezyum ZK60 borularının ölçeklendirilmiş imalatı", S. Whalen, V. Joshi, N. Overman, D. Caldwell, C. Lavender, T. Skszek, Magnezyum Teknolojisi , 315-321, 2017.
  4. ^ a b "Sürtünme konsolidasyonu ile hazırlanan Fe-Cr-Al ferritik oksit dispersiyonu ile güçlendirilmiş alaşımda dispersoid dağılımı ve mikro yapı", D. Catalini, D. Kaoumi, AP Reynolds, G. Grant, Metalurji ve Malzeme İşlemleri A, v. 46, no. 10, sayfa 4730–4739, 2015.
  5. ^ "Mühendislik Malzemeleri için Üretim Süreçleri, 5. baskı", S. Kalpakjian ve S. R. Schmid, ISBN  0132272717, s. 307-314, 2008.
  6. ^ a b "Alüminyum telin sürtünme ekstrüzyonunda gerilme ve doku", X. Li, W. Tang, AP Reynolds, WA Tayon, CA Brice, Malzeme İşleme Teknolojisi Dergisi, cilt 229, s. 191-198, 2016.
  7. ^ a b c d "Kesme destekli işleme ve ekstrüzyonla (ShAPE ™) konsolide edilen hızla katılaşmış AZ91E pulunun mikroyapısal evrimi", N. Overman, S. Whalen, M. Olszta, K. Kruska, J. Darsell, V. Joshi, X. Jiang, K Mattlin, E.Stephens, T. Clark, S. Mathaudhu, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği A, 701, sayfa 56-68, 2017.
  8. ^ "N-tipi bizmut-tellürid termoelektrik malzemenin sürtünme konsolidasyon işlemi", S. Whalen, S. Jana, D. Catalini, N. Overman, J. Sharp, Journal of Electronic Materials, 45 (7), s. 3390-3399 , 2016
  9. ^ "Yumuşak manyetik uygulamalar için gazla atomize edilmiş Fe-Si tozlarının sürtünme konsolidasyonu", X. Jiang, S. Whalen, J. Darsell, S. Mathaudhu, N. Overman, Materials Characterization, v. 123, s. 166-172, 2017
  10. ^ J. Milner, F. Abu-Farha, "Mikroyapısal evrim ve bunun, Mg AZ31B sürtünme karıştırmalı ekstrüde edilmiş tüplerin mekanik özellikleriyle ilişkisi", Magnezyum Teknolojisi, s. 263-268, 2014
  11. ^ "Magnezyum alaşımlarının Sürtünme Karıştırma Ekstrüzyonunda Tel bütünlüğü tahmini için sayısal bir model", D. Baffari, G. Buffa, L. Fratini, Journal of Materials Processing Technology, s. 1-10, 2017
  12. ^ "Sürtünmeli karıştırma ekstrüzyon işlemi yoluyla AZ31 magnezyum alaşımı geri dönüşümü", G. Buffa, D. Campanella, L. Fratini, F. Micari, International Journal of Material Forming, 1-6, 2015
  13. ^ "Sürtünme karıştırma geri ekstrüzyonunun fizibilitesi üzerine bir ön çalışma", F. Abu-Farha, Scripta Materialia, 66, s. 615-618, 2012.
  14. ^ "Sürtünmeli karıştırma ekstrüzyonu (FSE) yoluyla AA7277 alüminyum yongalardan tel üretimi", R. Behnagh, R. Mahdavinejad, A. Yivari, M. Abdollah, M. Narvan, Metalurji ve Malzeme İşlemleri B, 45: 4, s. 1484–1489, 2014
  15. ^ "Sürtünme geri karıştırma ekstrüzyonu ile üretilen boru şeklindeki alüminyumun mikro yapı evrimleri ve mekanik özellikleri", M. Khorrami, M. Movahedi, Materials and Design, 65, pp. 74-79, 2015
  16. ^ "Geri dönüştürülebilir metallerin ve alaşımların doğrudan katı hal dönüşümü", V. Manchiraju, Nihai Teknik Rapor DE-EE0003458, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, 2012
  17. ^ "Yeni bir yöntemle üretilen saf bakır boruların mikroyapısal karakterizasyonu - sürtünmeli geri karıştırma ekstrüzyonu", 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). "2050 alüminyum alaşımının Sürtünmeli Karıştırma Ekstrüzyonu üzerindeki işleme parametrelerinin ve ilk temperin etkisi". Üretim Süreçleri Dergisi. 28: 319–325. doi:10.1016 / j.jmapro.2017.06.013.
  19. ^ a b c "Mg alaşımlarında yüksek mukavemet ve enerji emilimi üretmek için yüksek kayma deformasyonu", V. Joshi, S. Jana, D. Li, H. Garmestani, E. Nyberg, C. Lavender, pp. 83-88, Magnezyum Teknolojisi, 2014
  20. ^ Catalini, David; Kaoumi, Djamel; Reynolds, Anthony P .; Grant, Glenn J. (2013). "MA956 tozunun Sürtünme Konsolidasyonu". Nükleer Malzemeler Dergisi. 442 (1-3): S112 – S118. Bibcode:2013JNuM..442S.112C. doi:10.1016 / j.jnucmat.2012.11.054.