А. М. Газалиев ректор, академик нан рк, д

Раздел «Машиностроение. Металлургия» 
оправки от центров тяжести инерционных рычагов до 
их крепления в шарнире 4. Форма поперечного сече-
ния  инерционных  рычагов  в  виде  кругового  сектора 
позволяет  наиболее  рационально  использовать  все 
полезное пространство в радиальном сечении. 
Как следует из описания работы принципиальной 
схемы  раскатника  вращающегося,  его  конструкция 
позволяет  использовать  инерционные  рычаги,  с  за-
данными  конструктивными  параметрами  и,  соответ-
ственно, расчетной массой. Форма поперечного сече-
ния  инерционных  рычагов  в  виде  кругового  сектора 
позволяет  наиболее  рационально  использовать  все 
полезное  пространство  в  радиальном  сечении  вокруг 
наружной цилиндрической поверхности оправки.  
Не  вызывает  сомнения,  что  увеличение  массы 
инерционного рычага позволяет существенно снизить 
необходимую  скорость  вращения  раскатника  враща-
ющегося,  не  уменьшая  при  этом  заданного  усилия 
деформирования. Так как конструктивные параметры 
поперечного  сечения  инерционных  рычагов  опреде-
ляются в соответствии с диаметром обрабатываемого 
отверстия, то определение их рациональной расчетной 
массы осуществляется за счет варьирования его длины 
[1].  
 
 
1 – 
корпус; 2 – инерционный рычаг; 3 цилиндрическая вставка; 4 – ось; 5 – направляющая шпонка; 6 – обойма;  
7 – 
деформирующий ролик; 8 – накладка; 9 – палец; 10 – опорный каток; 11 – штифт; 12 – толкатель 
Рисунок 1 – Раскатник вращающийся 
1  2016 
37 
 

 
 
Р
уп
 – 
усилие, действующее со стороны деформирующего ролика на поверхность детали;  
Р
срч
 – 
центробежное усилие, действующее на центр тяжести рычага; 2ψ – угол между смежными  
деформирующими роликами отверстия; R
рч
 – 
радиус окружности наружной поверхности рычагов;  
r
рч
 – 
радиус окружности, до центра тяжести рычага 
Рисунок 2 – Расчетная схема определения усилия деформирования 
 
Приведем теоретические зависимости для опреде-
ления центробежных сил, развиваемых инерционным 
рычагом  (рисунок  2)  и  деформирующими  роликами 
при его работе. 
Инерционный рычаг в поперечном сечении пред-
ставляет собой круговой сектор, с длиной по его обра-
зующей поверхности, равной L
ру
. Следовательно, цен-
тробежная  сила,  развиваемая  массой  инерционного 
рычага, приложенная к центру тяжести рычага, будет 
равна: 
 
2
4 2
,
3600
рч
уп
срч
m
r
n
Р
π ⋅
⋅
⋅
=
 
(1) 
где r
c
 – 
величина расстояния от центра тяжести круго-
вого сектора до оси инструмента: 
 
(
)
(
)
3
3
2
2
sin
0, 75
.
срч
рч
уп
срч
рч
R
r
r
R
r
α
α
−
⋅
=
−
⋅
 
(2) 
Составив  и  решив  уравнение  равновесия  в  виде 
суммы  моментов  центробежных  сил,  приложенных  к 
центру  тяжести  инерционного  груза  относительно 
усилия  Р
уп
,  действующего  на  ролик,  расположенных 
на  заданных  расстояниях  от  оси  поворота  инерцион-
ного рычага, будем иметь следующее уравнение: 
 
.
2
cos
срч
срч
уп
ру
Р
L
Р
L
ψ
⋅
=
⋅
⋅
 
(3) 
Полученное  значение  усилия  деформирования 
должно  соответствовать  величине,  необходимой  для 
достижения  заданных  показателей  качества  поверх-
ностного  слоя  при  обработке  ППД  раскатником.  Од-
ним из важных показателей качества поверхностного 
слоя  наряду  с  шероховатостью  является  глубина 
упрочнения. 
Глубина упрочнения главным образом зависит от 
силы деформирования. Таким образом, при обработке 
центробежным  раскатыванием  необходимо  опреде-
лить  необходимую  частоту  вращения,  при  которой 
силе  соответствует  заданная  глубина  упрочнения. 
Одной  из  зависимостей  определения  глубины  упроч-
нения является формула Хейфеца [2]: 
 
2
.
уп
р
P
r
σ
π
⋅
=
⋅
 
(4) 
На  рисунке  3  представлены  зависимости  измене-
ния усилия деформирования от радиусов обрабатыва-
емых отверстий. На графике горизонтальные штрихо-
вые  линии  4  соответствуют  необходимым  усилиям 
деформирования,  для  получения  обработанной  по-
верхности с заданной шероховатостью Ra = 0,16 мкм 
коническим роликом, имеющим диаметр 12 мм. 
Из зависимостей видно, что кривые имеют моно-
тонно возрастающий характер. При этом чем больше 
частота  вращения  инструмента,  тем  больше  сила  де-
формирования при длине рычага L
гр
 
= 80 мм.  
38 
Труды университета 
 

Раздел «Машиностроение. Металлургия» 
 
 
кривая 1 – n = 1500 мин
-1
; кривая 2 – n = 1200 мин
-1
; 
кривая 3 – n = 900 мин
-1 
Рисунок 3 – Зависимость изменения усилия деформи-
рования от радиуса обрабатываемого отверстия 
 
На  рисунке  4  представлены  зависимости  измене-
ния глубины упрочнения от диаметров радиусов обра-
батываемых  отверстий.  Как  видно  из  этих  графиков, 
для  достижения  рекомендуемой  глубины  упрочнения 
даже частоты вращения раскатника n = 1500 мин
-1
 
при 
обработке  отверстий  диаметрами до 200 мм недоста-
точно.  Вопрос  может  стоять  только  о  достижении 
требуемой шероховатости. 
Таким  образом,  на  основании  вышеизложенного 
можно сделать следующие выводы: 
– 
установлено,  что  увеличение  массы  инерцион-
ного рычага позволяет снизить необходимую скорость 
вращения  раскатника,  не  уменьшая  при  этом  усилие 
деформирования; 
– 
определены  центробежные  силы,  развиваемые 
раскатником; 
– 
получены  зависимости  изменения  усилия  де-
формирования  и глубины  упрочнения от радиуса  об-
рабатываемого отверстия; 
– 
определены  необходимые  усилия  деформирова-
ния,  обеспечивающие  заданную  шероховатость  Ra  = 
0,12 мкм для конического ролика; 
– 
на  основе  исследований  в  конструкцию  раскат-
ника  центробежного  были  внесены  доработки.  Они 
заключаются в том, что на рычаги будет дополнитель-
но  воздействовать  радиальная  сила  деформирования, 
создаваемая  осевым  нагружением  штока  12  через 
вставку 8. 
 
 
 
кривая 1 – n = 1500мин
-1
; кривая 2 – n = 1200 мин
-1
; 
кривая 3 – n = 900 мин
-1 
Рисунок 4 – Зависимость изменения глубины упроч-
нения от радиуса обрабатываемого отверстия 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
 
1. 
Отений Я.Н. Технологическое обеспечение качества деталей машин поверхностным пластическим деформированием. – 
Волгоград: ВолгГТУ, 2005. – 220 с. 
2. 
Хейфец С.Г. Аналитическое определение глубины наклепанного слоя. – В сб. ЦНИИТмаша. – М.: Машгиз, 2007. Кн. 49. 
С. 7-17. 
 
 
 
 
 
 
 
1  2016 
39 
 

 
УДК 621.771 
 
Эволюция микроструктуры латуни CuZn36 
при прессовании в равноканальной 
ступенчатой матрице 
 
А.Б. НАЙЗАБЕКОВ
1
, д.т.н., ректор,  
С.Н. ЛЕЖНЕВ
2
, к.т.н., доцент кафедры ОМД, 
И.Е. ВОЛОКИТИНА
3
, докторант PhD, магистр,  
Г.Г. КУРАПОВ
3
, к.х.н., асс. профессор, 
М.Я. КНАПИНЬСКИ
4
, д.т.н., зам. декана, 
1
Рудненский индустриальный институт, г. Рудный (Казахстан), 
2
Карагандинский государственный индустриальный университет, г. Темиртау (Казахстан), 
3
Казахский национальный технический университет им. К. Сатпаева, г. Алматы (Казахстан), 
4
Ченстоховский политехнический университет, г. Ченстохова (Польша) 
 
Ключевые слова: латунь, микроструктура, разрушение, предварительная термическая обработка, равно-
канальное угловое прессование. 
 
 
последние  годы  внимание  специалистов,  занима-
ющихся  созданием  и  исследованием  новых  мате-
риалов,  уделено  улучшению  служебных  свойств  уже 
существующих материалов. 
Учеными  всего  мира  проведены  многочисленные 
исследования, направленные на увеличение прочност-
ных  характеристик  черных  и  цветных  металлов  и 
сплавов  путем  получения  наноразмерных  кристалли-
тов  с  помощью  интенсивной  пластической  деформа-
ции (ИПД) [1, 2]. При этом большая часть исследова-
тельских работ по  получению  таких материалов про-
ведено  с  использованием  метода  равноканального 
углового  прессования  (РКУП).  Хоть  этот  метод  и  не 
позволяет  достичь  экстремальных  степеней  деформа-
ции,  но  его  несомненным  преимуществом  является 
возможность  получения  объемных  заготовок.  Также 
преимуществом  РКУП  является  то,  что  с  помощью 
данного  способа  деформирования  можно  создать  в 
материале  однородную  микроструктуру.  Это  важно 
при  изготовлении  объемных  заготовок  для  ответ-
ственных  деталей  машин  и  элементов  конструкций 
(именно  неоднородность  структуры  способствует 
разрушению  деталей  в  условиях  усталости,  ползуче-
сти и при активной деформации). 
В  настоящее  время  основные  работы  в  области 
получения  объемных  наноструктурных  материалов 
направлены  на  изучение  субмикрокристаллической  и 
нанокристаллической  структуры  в  чистых  металлах, 
таких  как:  Al,  Cu,  Ti  и  Ni  и  армко-железе.  Но  в  по-
следнее время все больше работ направлено на иссле-
дование  сплавов  [2-3],  которые  показывают  также 
хорошую  перспективу  использования  методов  ИПД 
для измельчения структуры. 
Целью данной работы является изучение влияния 
исходного структурного состояния латуни CuZn36 на 
получение  ультрамелкозернистой  структуры  при 
прессовании  в  равноканальной  ступенчатой  матрице 
(рисунок  1)  и  установление  закономерностей  транс-
формации  крупнокристаллической  структуры  латуни 
в ультрамелкозернистую под действием РКУП. 
Главным инструментом при проведении равнока-
нального  упрочнения  является  матрица  (рисунок  1). 
Канал матрицы представляет собой последовательный 
ряд  проходов  прямоугольного  сечения,  расположен-
ных под углами друг к другу. На рисунке 1 показана 
схема канала деформирования, разбитая на 5 участков.  
На участках 1, 3 и 5 пластическая деформация не 
происходит, и усилие прессования расходуется только 
на преодоление сил трения о стенки канала матрицы. 
Металл  находится  в  упругом  состоянии  и  удельное 
давление  на  стенки  матрицы  не  может  быть  больше 
сопротивления деформации предела текучести. На 2 и 
4  участках  появляется  усилие,  требуемое  для  осу-
ществления сдвиговой деформации.  
Для  проведения  эксперимента  были  изготовлены 
образцы  из  латуни  CuZn36  квадратного  сечения 
15×15×70  мм,  которые  соответствуют  поперечному 
сечению каналов равноканальной ступенчатой матри-
цы,  изготовленной  для  эксперимента  по  чертежам, 
приведенным  на  рисунке  2,  в  условиях  ТОО  «Куры-
лысмет»  АО  «АрселорМиттал  Темиртау».  До  равно-
канального  углового прессования  образцы были под-
вергнуты  предварительной  термической  обработке 
отжигу,  закалке  и  нормализации  по  стандартному 
режиму. Образцы подвергали прессованию на гидрав-
лическом  прессе  в  матрице  с  углом  стыка  каналов 
125° с кантовкой заготовки на 90° вокруг продольной 
оси.  Перед  опусканием  заготовки  во  входной  канал 
матрицы производили  смазывание канала и пуансона 
графитовой смазкой (смесь машинного масла с графи-
том).  Деформирование  проводили  при  комнатной 
температуре. 
Для  изучения  структурных  изменений  образцы 
разрезали  вдоль  и  поперек  направлению  вытяжки. 
Металлографическое  исследование  проводили  на 
оптическом  микроскопе  LEICA.  Микроскоп  предна-
значен  для  исследования  фазового  состава  и  струк-
турных  особенностей металлов и сплавов  при  увели-
чении  до  х1000  крат.  Он  оснащен  приставкой  для 
определения микротвердости отдельных фаз, пристав-
В
 
40 
Труды университета 
 

Раздел «Машиностроение. Металлургия» 
кой  для  автоматической  микрофотосъемки  микро-
структуры,  а  также  программным  обеспечением  для 
определения балла зерна и количества фаз. 
Рассмотрим изменения структуры латуни, форми-
рующейся  при  различных  режимах  предварительной 
термической обработки и температурах прессования. 
Микроструктура латуни более мелкозернистая по 
сравнению с медью, благодаря присутствию в сплаве 
железа, которое тормозит рост зерна при кристаллиза-
ции и рекристаллизации и этим способствует измель-
чению структуры. 
Структура и свойства α+β латуней зависят от ско-
рости охлаждения. Так как наш травитель окрашивает 
β-фазу в темный цвет, то мы видим, что при охлажде-
нии  на  воздухе  возрастает  количество  β-фазы  (рису-
нок  3в),  что  повышает  твердость  латуни.  Медленное 
же  охлаждение  ведет  к  увеличению  α-фазы  (рисунок 
3б), повышая ее пластичность. Поэтому, если отжига-
емая латунь предназначена для дальнейшей холодной 
обработки  давлением,  то  лучше  ее  охлаждать  после 
отжига  медленно,  чтобы  обеспечить  максимально 
полный переход β-фазы в α-фазу (рисунок 3б). 
 
 
 
а) 
б) 
а – конструкция равноканальной ступенчатой матрицы; б – схема каналы матрицы 
Рисунок 1 – Равноканальная ступенчатая матрица 
 
 
Рисунок 2 – Рабочие чертежи равноканальной ступенчатой матрицы 
1  2016 
41 
 

 
В  результате  прессования  латуни  при  комнатной 
температуре происходит ее разрушение. На рисунке 4 
представлен вид образца латуни CuZn36 после РКУП. 
Видно, что уже после однократного прессования обра-
зец разрушился на четыре фрагмента.  
Исследование микроструктуры 1-го фрагмента об-
разца (обозначен цифрой 1 на рисунке 4), показало, что 
структура  первой  части  1-го  фрагмента,  расположен-
ной  после  прессования  в  первом  канале,  практически 
не  изменилась,  по  сравнению  с  исходной  структурой 
(рисунок 5а). Микроструктура второй части 1-го фраг-
мента в области угла поворота претерпела существен-
ные  изменения  (см.  рисунок  5б).  Во  2-м  и  3-м  фраг-
ментах образца, полностью прошедших угол пересече-
ния каналов (обозначены цифрами 2 и 3 на рисунке 4), 
сформировалась  тонкая  волокнистая  структура  (рису-
нок 5в). 4 фрагмент имеет уже более фрагментирован-
ную и правильную структуру (рисунок 5г). 
Разрушение латунного  образца произошло вслед-
ствие того, что латунь CuZn36 состоит из α+β струк-
туры. β-фаза – твердый раствор на базе электронного 
соединения  с  объемно-центрированной  кубической 
решеткой и упорядоченным расположением атомов. β-
фаза  отличается  повышенной  хрупкостью  и  твердо-
стью, поэтому образование β-фазы снижает вязкость и 
увеличивает твердость и хрупкость [4]. 
 
 
 
а – исходная структура; б – отжиг; в – нормализация; г – закалка 
Рисунок 3 – Микроструктура латуни CuZn36 после предварительной термической обработки, x100 
 
 
Рисунок 4 – Внешний вид образца латуни CuZn36 после однократного РКУП 
1 
2 
3 
4 
а) 
б) 
в) 
г) 
42 
Труды университета 
 

Раздел «Машиностроение. Металлургия» 
Кроме  того,  малые  степени  деформации  перед 
термической  обработкой  латуни  могут  дать  зерно 
повышенной  хрупкости,  а  исходным  материалом  для 
наших заготовок служила катанка. 
Так  как  разрушение  образцов  происходит  из-за 
твердой  β-фазы,  нагреем  латунь  при  прессовании  до 
50
0°С.  Исходя  из  диаграммы  состояния  β-фаза  при 
нагреве выше 450°С превращается в неупорядоченный 
твердый раствор β
|
, отличающийся большей пластич-
ностью, чем β-фаза [4].  
Проводим  равноканальное  угловое  прессование 
только  исходной  заготовки  и  после  отжига,  т.к.  при 
других  термических  обработках  по  границам  зерен 
выступила  эвтектика,  которая  также  охрупчивает 
сплав. 
Фотографии  микроструктуры,  полученные  при 
изучении  сплава  CuZn36,  после  прессования,  при 
t
 
=
 
500°C 
представлены на рисунке 6.  
Анализ  микроструктуры  сплава  CuZn36  после 
РКУП показал, что после каждого  цикла деформиро-
вания происходит интенсивное измельчение зерна. Но 
высокая  температура  прессования  ведет  к  динамиче-
скому  разупрочнению,  из-за  чего  структура  меньше 
прорабатывается и получается высокая степень разно-
зернистости.  Увеличение  циклов  деформирования 
также  приводит  к  увеличению  количества  β-фазы, 
отличающейся  повышенной  хрупкостью  и  твердо-
стью, в результате чего после 3 проходов произошло 
разрушение образцов. 
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод 
о том, что для РКУП необходимо использовать одно-
фазные α-латуни.  
 
 
 
а – 1-й фрагмент; б – 1-й фрагмент в области угла; в – 2-й фрагмент; г – 4-й фрагмент 
Рисунок 5 – Микроструктура образца латуни CuZn36 после однократного РКУП, x200 
 
 
а – исходная структура; б – отжиг 
Рисунок 6 – Микроструктура сплава CuZn36 после 3 циклов прессования при температуре 500°C, x1000 
а) 
б) 
в) 
г) 
а) 
б) 
1  2016 
43 
 

 
В таблице приведены  сравнительные данные раз-
меров  зерен  кристаллитов  и  микротвердости  латуни 
CuZn36  в  исходном  состоянии  и  после  обработки  в 
равноканальной матрице отожжённой структуры. 
 
Результаты  исследования  деформирования  латуни 
CuZn36 в равноканальной матрице 
Вид обработки 
РКУП 
Твердость, 
МПа 
Средний диаметр 
зерна, мкм 
Исходное состояние 
450 
70 
1 проход 
530 
32 
2 проход 
583 
13 
3 проход 
645 
8 
 
Данные, приведенные в таблице, показывают, что 
деформирование  латуни  в  равноканальной  ступенча-
той матрице уже после первого прохода дает увеличе-
ние  прочности  примерно  на  20%,  а  после  третьего 
прохода разница в прочности составляет 43%.  
Наиболее интенсивное упрочнение латуни проис-
ходит  при  относительно  небольших  степенях  дефор-
мации  (2  прохода),  затем  процесс  деформационного 
упрочнения замедляется за счет проходящих динами-
ческой  полигонизации  и  динамической  рекристалли-
зации,  которые  приводят  к  формированию  неравно-
весной смешанной структуры.  
Наиболее интенсивное диспергирование зерен ла-
туни наблюдается в первых проходах, а при последу-
ющей обработке скорость уменьшения размеров зерен 
быстро уменьшается. Однако из анализа приведенных 
результатов  изменения  размера  зерен  кристаллитов 
следует,  что  трехкратная  обработка  латуни  РКУП  не 
дает  возможности  получения  ультрамелкозернистой 
структуры, так как полученные средние размеры зерен 
(8 мкм) на порядок больше требуемых.  
В целом проведенные исследования показали, что 
основной  процесс  измельчения  структуры,  вне  зави-
симости  от  механизма  пластичности,  происходит  в 
момент протекания пластического течения металла, а 
в дальнейшем происходит закрепление образовавшей-
ся структуры.  
Вывод: В работе исследовано влияние исходного 
структурного состояния латуни CuZn36 на получение 
ультрамелкозернистой 
структуры 
при 
РКУ-
прессовании в равноканальной ступенчатой матрице и 
установлены закономерности трансформации крупно-
кристаллической структуры латуни в ультрамелкозер-
нистую  под  действием  РКУП.  В  ходе  проведенных 
исследований было выявлено: 
1. Минимальный размер зерна, полученный в ходе 
прессования  латуни  CuZn36  в  равноканальной  сту-
пенчатой матрице, лежит в пределах 1,1 мкм и дости-
гается после проведения 3 циклов деформирования и 
предварительной термической операции – отжиг. 
2.  Размер  зерен  после  РКУП  мало  зависит  от 
предварительной термической  обработки, однако при 
всех термических операциях, кроме низкотемператур-
ного  отжига по границам зерен выступает эвтектика, 
которая  охрупчивает  сплав,  в  результате  чего  проис-
ходит разрушение образцов. 
3.  Прессование  в  равноканальной  ступенчатой 
матрице  двухфазных  латуней  возможно  проводить 
только  при  высоких  температурах,  при  комнатной 
температуре  уже  при  первом  проходе  происходит 
разрушение образцов.  
4.  Увеличение  циклов  деформирования  приводит 
к  увеличению  количества  β-фазы,  в  результате  чего 
после  3  проходов  происходит  разрушение  образцов. 
Поэтому  рекомендуется  для  РКУП  использовать  од-
нофазные α-латуни. 
5. Деформирование латуни в равноканальной сту-
пенчатой  матрице  уже  после  первого  прохода  дает 
увеличение прочности примерно на 20%, а после тре-
тьего прохода разница в прочности составляет 43%. 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
 
1. 
Валиев Р.З., Рааб Г.И., Мурашкин М.Ю. Использование методов интенсивной пластической деформации для получения 
объемных наноструктурных металлов и сплавов // Кузнечно-штамповое производство. – 2008. – №11. – С. 5-12.  
2.  Research of Influence Equal Channel Angular Pressing Combinedwith a Heat Treatment on the Ticrostructure of the Steel 45/ 
A.B. Naizabekov, S.N. Lezhnev, G.G. Kurapov, M.J. Knapinski, I.E. Volokitina // XV International Scientific Conference «New 
Technologies and Achievementsin Metallurgy, Material Engineering  and Production Engineering». Czestochowa 2014. –  PP. 
365-368. 
3.  Influence of Initial Structural State of 35H
М Steel on the Obtaining Ultrafinegrained Structure During ECA-pressing. / I.E. Volo-
kitina, A.B. Naizabekov, S.N. Lezhnev, G.G. Kurapov, M.J. Knapinski // The 3rd IIW South – East European Welding Congress 
«Welding and Joining Technologies for a Sustainable Development and Environment», Romania, 2015. 
4. 
Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 456 с. 
 
 
 
 
 
 

жүктеу/скачать 9,16 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: