Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления сплошных биметаллических изделий с сечением квадратной формы

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для получения сплошных биметаллических изделий квадратной формы, состоящих из разнородных материалов, а также может найти применение в ядерной энергетике при производстве стержневых тепловыделяющих элементов и мишеней квадратной формы, изготавливаемых с использованием процесса прессования сборных заготовок.

Известен способ изготовления сплошных биметаллических изделий квадратной формы, выбранный в качестве прототипа, включающий получение сборной заготовки, состоящей из заготовки сердечника и заготовки оболочки с донной частью, и совместное горячее прессование сборной заготовки в матрицу с приложением усилия к ее заднему торцу (Король В.К. и Гильденгорн М.С. Основы технологии производства многослойных металлов. – М.: Металлургия, 1970, с. 143-150).

Расчет диаметральных размеров заготовки сердечника и заготовки оболочки проводят с использованием условия равенства вытяжек слоев, при котором вытяжки сердечника, оболочки и всей сборной заготовки равны (Сокурский Ю.Н., Стерлин Я.М., Федорченко В.А. Уран и его сплавы. – М.: Атомиздат, 1971, с. 357).

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления сплошных биметаллических изделий квадратной формы, является низкое качество изделий, обусловленное невозможностью получения требуемых соотношений слоев прессованных изделий в случае использования заготовок сердечников и заготовок оболочек, модули прессования материалов которых значительно отличаются.

В этом случае условие равенства вытяжек слоев нарушается, и в готовом изделии формируются слои, размеры которых отличаются от расчетных, при этом слой с меньшим модулем прессования (мягкий слой) деформируется более значительно, чем слой с большим модулем прессования (твердый слой).

Для получения требуемых соотношений слоев используют метод последовательных приближений, проводя несколько итераций, в процессе которых изменяют размеры слоев сборной заготовки до тех пор, пока они не обеспечат получение требуемых размеров слоев в отпрессованном изделии. Измерения фактических размеров слоев на отпрессованных изделиях осуществляют разрушающим методом, проводя металлографические исследования на подготовленных поперечных шлифах. Это приводит к дополнительным затратам как временным, так и финансовым.

Технической задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является обеспечение требуемого качества изделий.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного способа, является получение сплошных биметаллических изделий с требуемыми геометрическими размерами слоев при минимальном количестве итераций.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления сплошных биметаллических изделий квадратной формы, включающем получение сборной заготовки, состоящей из заготовки сердечника и заготовки оболочки с донной частью, совместное горячее прессование сборной заготовки в матрицу с приложением усилия к ее заднему торцу, согласно изобретению определяют диаметральные размеры заготовки оболочки и заготовки сердечника из условия равенства вытяжек слоев при прессовании, проводят пробное прессование сборной заготовки, из срединной части отпрессованного биметаллического изделия вырезают образец, на котором готовят поперечный шлиф, определяют фактический размер "под ключ" сердечника, после чего корректируют диаметр исходной заготовки сердечника, который рассчитывают по формуле

где d_0.p - диаметр заготовки сердечника расчетный, мм;

А_c.р и А._c.ф - размер "под ключ" сердечника в отпрессованном изделии расчетный и фактический соответственно, мм.

Вытяжка расчетная сердечника определяется по известному соотношению

где d_0.p - диаметр заготовки сердечника расчетный, мм;

A_c.p - размер "под ключ" сердечника в отпрессованном изделии расчетный, мм.

Связь между расчетным диаметром заготовки сердечника и расчетным размером "под ключ" сердечника в отпрессованном изделии определяется на основании соотношения (2) следующей формулой:

При отклонении фактического размера "под ключ" сердечника в отпрессованном изделии от расчетного значения фактическая вытяжка сердечника определяется по формуле:

где

d_0.p - диаметр заготовки сердечника расчетный, мм;

A_c.ф - размер "под ключ" сердечника в отпрессованном изделии фактический, мм.

При прессовании многослойных изделий для каждого сочетания материалов заготовки оболочки и заготовки сердечника и каждой вытяжки сборной заготовки фактическая вытяжка сердечника сохраняется неизменной при значительном изменении коэффициента плакирования, определяемого как отношение площадей оболочки и готового изделия, и соответствующем изменении диаметра исходной заготовки сердечника.

Производственный опыт показывает, что изменение коэффициента плакирования для одной сборной заготовки как минимум в два раза не приводит к изменению фактической вытяжки ее сердечника. В реальном производстве многослойных изделий отличие фактического коэффициента плакирования от расчетного значения при изменении фактической вытяжки сердечника от расчетного значения значительно меньше указанного выше и в большинстве случаев не превышает 30%.

Тогда для получения в готовом изделии расчетного размера "под ключ" сердечника откорректированный диаметр исходной заготовки сердечника d_о.кор. определяется с использованием формулы (3) при подстановке в нее значения фактической вытяжки из соотношения (4).

После преобразований получим формулу для определения откорректированного диаметра исходной заготовки сердечника

где d_0.p - диаметр заготовки сердечника расчетный, мм;

A_c.p и А_c.ф - размер "под ключ" сердечника в отпрессованном изделии расчетный и фактический соответственно, мм.

Вырезка образца из срединной части отпрессованного биметаллического изделия обусловлена установившимся течением слоев сборной заготовки на данном участке и их сложившимся соотношением, характерным для большей части биметаллического изделия.

Способ поясняется чертежом.

На чертеже приведена схема прессования биметаллической сборной заготовки, состоящей из заготовки сердечника и заготовки оболочки: 1 - контейнер; 2 - матрица; 3 -заготовка сердечника; 4 - заготовка оболочки.

Способ реализуется следующим образом.

Пример реализации способа.

Указанный способ был реализован при разработке технологии изготовления мишени для наработки Мо-99.

Мишень представляет собой стержень квадратного сечения с размером "под ключ", равным 2,6 мм. В каждом углу мишени, по всей ее длине, выполнены ребра охлаждения.

Сердечник мишени выполнен из уран-алюминиевого сплава с массовой долей урана около 42%, а оболочка - из низколегированного алюминиевого сплава, при этом их модули прессования отличаются более чем на 50%.

На этапе разработки технологии изготовления данных изделий были проведены расчеты параметров заготовок сердечников и заготовок оболочек из условия равенства вытяжек по слоям сборной заготовки при прессовании.

Параметры мишени, а также расчетные технологические параметры приведены в таблице 1, в графе "Параметры до итерации".

Пробные образцы сборных заготовок в количестве трех штук были подвергнуты прессованию. Из средней части отпрессованных мишеней пробной партии были вырезаны образцы, на которых подготовлены поперечные шлифы. Измерения шлифов пробной партии показали, что средняя толщина оболочки мишеней составляет 0,22-0,23 мм, при этом в местах локального внедрения частиц твердой фазы толщина оболочки в ряде случаев была меньше минимально допустимого значения (0,1 мм).

Для обеспечения требуемой толщины оболочки готовых мишеней откорректировали диаметр исходной заготовки сердечника в соответствии с формулой (1).

Параметры по результатам металлографических исследований и проведенных затем расчетов приведены в таблице 2, в графе "Параметры до итерации".

Сборные заготовки с откорректированным диаметром исходной заготовки сердечника были отпрессованы в ту же матрицу. Металлографические исследования образцов, вырезанных из полученных мишеней, показали полное соответствие с рассчитанными значениями как размера "под ключ" сердечника, так и толщины оболочки.

Параметры мишени, а также расчетные технологические параметры после проведенной корректировки диаметра исходной заготовки сердечника приведены в таблице 1, в графе "Параметры после итерации". Указанный откорректированный диаметр обозначен *, фактическая вытяжка сердечника при прессовании - **.

Фактическая толщина оболочки готовых мишеней по результатам металлографических исследований после корректировки диаметра исходной заготовки сердечника приведена в таблице 2, в графе "Параметры после итерации".

Таким образом, изобретение позволяет получать сплошные биметаллические изделия квадратной формы с требуемыми геометрическими размерами слоев в случае использования заготовок сердечников и заготовок оболочек, модули прессования материалов которых значительно отличаются при проведении всего одной итерации.