Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ особенностей и технологических проблем измельчения структуры при получении металлических конструкционных материалов 12
1.1. Состояние проблемы получения конструкционных материалов с ультрамелкозернистой структурой 12
1.2. Измельчение структуры металлических материалов методами прокатки 25
1.3. Обоснование целесообразности применения метода накопительной прокатки для получения ультрамелкозернистого конструкционного материала на основе железных сплавов 37
1.4. Выводы к главе 1 41
Глава 2. Материалы, методы и оборудование исследования 42
2.1. Выбор исследуемых материалов и их свойства 42
2.2. Теоретические методы исследования процесса многослойной прокатки 46
2.3. Выводы к главе 2 77
Глава 3.Результаты исследований и обсуждение 78
3.1. Условия сохранения слоистой структуры 78
3.2. Силовые параметры многослойной прокатки 86
3.3. Результаты механических испытаний и свойства многослойных материалов 101
3.4. Выводы к главе 3 118
Глава 4. Рекомендации для промышленного освоения технологии производства многослойных нанокристаллических материалов 120
4.1. Технологические расчеты 121
4.2. Комплекс оборудования 129
4.3. Применение исследованных материалов 131
4.4. Расчет себестоимости малотоннажного производства многослойного стального листа 135
Основные выводы 139
Литература 141
- Измельчение структуры металлических материалов методами прокатки
- Теоретические методы исследования процесса многослойной прокатки
- Результаты механических испытаний и свойства многослойных материалов
- Применение исследованных материалов
Измельчение структуры металлических материалов методами прокатки
Представленные процессы реализуют схему простого сдвига и дают возможность для многократного повторения деформации и измельчения структуры. Наиболее распространенными являются такие методы как кручение под высоким давлением, основанное на принципе наковальни Бриджмена и равноканальное угловое прессование (РКУП). Этот метод был предложен В.М. Сегалом в 1972 г. [9] и развит Валиевым [12]. Методы электронной микроскопии позволили доказать присутствие 70—80% высокоугловых границ в микроструктуре образцов, подвергнутых многократному равноканальному угловому прессованию при температурах обработки ниже 0,ЗТпл при больших накопленных деформациях [13].
Интересным подходом к получению материалов с повышенными свойствами является использование знакопеременного изгиба, в частности знакопеременного изгиба при температуре горячей деформации (высокотемпературной пластической отделки) [45-50]. Применение этого метода позволило получить на низкоуглеродистых сталях Зсп и 09Г2С уникальные значения прочностных характеристик: увеличение предела прочности более чем в два раза по сравнение с исходным состоянием, предела текучести - до трех раз, при незначительном падении пластических характеристик (с использованием отпуска в качестве окончательной операции упрочняющей обработки) [45-46].
Материал подвергался обработке по следующему режиму [47]: аустенизация стали (нагрев до температуры 1020 С), деформирование при температуре выше уровня фазовых превращений (Т=940 С, число перегибов равно 20), закалка (охлаждение водой с максимально возможной скоростью) и отпуск. После проведения обработки по такому маршруту в низкоуглеродистых сталях образуется игольчатая структура типа видманштеттова феррита [45]. Отмечается, что тонкая структура упрочненной полосы, возникающая после приложения ударных импульсов и периодов кратковременной релаксации, определяется не только химическим составом сплава, размерами полосы и температурой деформации, но и конструкцией деформирующей машины, от которой зависит степень, скорость деформации и время релаксационных процессов.
Целесообразным является проведение анализа сильных и слабых сторон процессов накопления деформации (Таблица 3). В представленных процессах можно выделить две основные группы: - к первой группе относятся процессы, при которых пластическая деформация заготовки протекает без изменения ее поперечного сечения (кручение под высоким давлением в закрытой матрице, равноканальное и многоугловое прессование, кручение в составном контейнере под давлением, повторяющееся рифление-выпрямление); - ко второй группе относятся процессы, при которых деформирование заготовки происходит с изменением ее поперечного сечения (всесторонняя ковка, поперечно-винтовая прокатка, волочение, песочные часы, пакетная экструзия, винтовая экструзия, уширяющаяся экструзия, многослойная прокатка).
Рассмотренные процессы можно классифицировать также по степени непрерывности. К процессам, позволяющим получать длинномерные изделия, относятся продольная прокатка, поперечно-винтовая прокатка, волочение, прессование, знакопеременный изгиб. Непрерывность процесса деформирования способны осуществить продольная прокатка и волочение.
Недостатками наиболее распространенных методов интенсивной деформации (кручение под высоким давлением, равноканального углового прессования) являются: - сложность их применения для заготовок больших размеров; - низкая производительность; -использование нестандартного дорогостоящего оборудования, требующего большой точности изготовления; -использование для получения наноразмерных заготовок порошковых материалов, производство, которых является длительным и дорогостоящим; -сложность удержания полученной наноразмерной структуры. Таблица 3. Характеристика процессов накопления деформации № п/п Методы измельчения структуры Изменениепоперечногосечения Обработкабольшеразмерныхобразцов Высокаяпроизводительность инепрерывность Потребность вспец.оборудовании иоснастке
Возможность производства болыперазмерных заготовок с ультрамелкозернистой и наноразмерной структурой на стандартном оборудовании в промышленных объемах является ключевым преимуществом метода прокатки перед остальными методами обработки давлением, используемыми для создания наноструктурированных материалов.
Одним из подходов к классификации методов измельчения структуры с использованием пластической деформации в ходе процесса прокатки для создания субмикро- и нанокристаллических материалов является разделение методов ИПД (ПНД), используемых для измельчения микрокристаллитов и методов пакетной деформации слоистых заготовок, осуществляющих сварку прокаткой (Рисунок 1.3). Методы пакетной прокатки в свою очередь могут быть разделены на способы получения монолитных материалов с ультрамелкозернистой структурой и способы создания композиционного слоистого материала с несмешиваемыми слоями [14-16,55] для осуществления возможности измельчения слоев. Способами получения монолитных материалов с однородной ультрамелкозернистой структурой являются методы многоэтапной пакетной прокатки (МПП [56,57]) или соединения накопительной прокаткой (ARB [52-54]). Под несмешиваемыми слоями в данном случае понимаются слои, обладающие различным кристаллическим строением, позволяющим исключить взаимное смешивание. Возможно несколько вариантов: исходные слои, собираемые в пакет, могут либо изначально иметь различное кристаллическое строение (слои разнородных металлов [14-16]), либо находиться в различных кристаллических фазах в интервале температур обработки, при которых осуществляется их пакетная прокатка. Последнее характерно для сплавов одного металла, например, при создании композитов на основе сталей. Принципы создания таких многослойных композиций разработаны в МГТУ имени Н. Э. Баумана и отражены в патентах РФ № 2380234 и № 2428289 [26, 27].
Теоретические методы исследования процесса многослойной прокатки
Многослойные материалы отличаются от биметаллов существенно большим числом слоев. По-видимому, это обстоятельство может оказать влияние на величину сопротивления деформации при прокатке многослойных материалов. В связи с этим в работе проводились прямые измерения силовых параметров процесса прокатки.
Экспериментальные методы исследования и оборудование Силовые параметры прокатки. Экспериментальные исследования процесса прокатки многослойных композиций преследовали цель сопоставления значений сопротивления деформации, полученных в ходе теоретического анализа, с реальными значениями. Перед началом проведения экспериментов необходимо установить размеры прокатываемых образцов, которые обусловливаются наличием и особенностями лабораторного оборудования.
Выбор размеров экспериментальных образцов проводился, исходя из конструктивных особенностей лабораторного стана дуо 160 (Рисунок 2.10) и энергосиловых параметров прокатки. Технические характеристики лабораторного стана дуо 160: Валки диаметром 160 мм и шириной бочки валка 120 мм. Раствор валков максимальный, 100 мм. Станина закрытого типа с нажимным устройством типа винт-гайка и устройством уравновешивания пружинного типа. Подшипники в подушках валков № 7513 по 2 шт. с каждой стороны валка.
Для выбора размеров прокатываемых образцов проведем оценочный расчет сил прокатки по сопротивлению деформации стали 08X18Н10 как наиболее прочного из выбранных материалов [88]. Исходные данные для вычислений: температура прокатки 1000С, скорость прокатки 0,1 м/с, радиус валков80 мм, коэффициент трения при установившемся процессе прокатки 0,4. При проведении расчета, руководствуясь технической характеристикой стана 160 и заданными условиями прокатки, был определен допустимый диапазон изменения толщины и ширины прокатываемых заготовок. Вычисление сил прокатки проводилось по выражению (2.1), в котором изменяемыми являются три параметра: обжатие, толщина и ширина заготовки. Таким образом, изменяя в заданном диапазоне один из трех параметров и фиксируя два других, рассчитываются значения силы прокатки(результаты расчетов в виде графиков на Рисунках 2.11 - 2.13).
Зависимость силы прокатки от толщины заготовки (для ширины 20, 50,100 мм и обжатия равного 10%) Из Рисунка 2.11 видно, что для образцов толщиной 50 мм прокатка образцов шириной 100 мм является недопустимой. При ширине 50 мм максимально допустимое относительное обжатие для образца толщиной 50 мм составляет примерно 25%, для ширины 20 мм допустимы обжатия более 30 %. Для обеспечения достаточного запаса по величине сил прокатки величина обжатия была принята равной 10%.
При выбранной величине обжатия были рассчитаны силы прокатки для толщин от 40 мм до 100 мм и ширины от 40 мм до 100 мм. По результатам расчета был сделан вывод о том, что для обеспечения двукратного запаса по силам прокатки оптимальными являются образцы сечением 50 мм х 50 мм. Длина образца была выбрана равной 200 мм, исходя из условия минимизации перепада температуры начала и конца прокатки, а также из возможности размещения заготовки во внутреннем пространстве печи. На Рисунке 2.14 представлен общий вид вакуумированных капсул (слева), в которых размещены многослойные образцы (справа).
Для выбранных размеров образцов был проведен поверочный расчет сил прокатки. Исходные данные расчета: материал заготовки - сталь 08Х18Н10, начальная толщина /Z0=53MM, ширина полосы &0=55мм; температура прокатки 7 =900 С; относительное обжатие каждом проходе =10%; скорость прокатки К=0Дм/с.
Результаты механических испытаний и свойства многослойных материалов
С целью проверки возможности использования при определении сил прокатки среднепропорциональной величины пределов текучести материалов для композиции, состоящей из большего числа тонких слоев проводился расчет силовых параметров. Расчет проводился для композиций (08кп + У8) и (У8 + 08X18Н10), включающих сто чередующихся слоев одинаковой толщины 0,5 мм каждый. Величина степени деформации є в частном проходе принималась равной 10%. Основанием послужили ранее проведенные исследования [101-106], которые установили эту величину оптимальной для данного процесса, не приводящей к разрушению ламинарного строения многослойного листа при прокатке. Как было показано выше, размеры образцов были выбраны равными 53мм х 53мм х 200мм по высоте, ширине и длине соответственно. Это позволяет на стане 160 осуществить прокатку их до толщины \ =7,16 мм за проходов по 10% обжатия в каждом проходе. Расчет зависимости силы прокатки от технологических параметров процесса
Расчеты силы прокатки в зависимости от условий деформирования проводились в соответствии с подходом, описанным в разделе 2. Сопротивление деформации исходных компонентов, входящих в многослойные композиции определялось в соответствии методом термомеханических коэффициентов.
Расчет сил прокатки по среднему сопротивлению деформации для композиции сталей 08кп и У8. Для сталей У8 и 08кп при температуре равной Т= 1100С и скорости деформации и = 0,5 с" как показано выше (см. раздел 2.2) в соответствии с данными [28,107] была построена усредненная диаграмма упрочнения (Рисунок 3.9) & \ ), где є - относительное обжатие. т-SO --55 - а, 5-МПа +5 40 -35 - ЗО - : При принятых условиях прокатки значения сопротивления деформации сталей У8 и 08кп примерно равны, разброс значений составляет менее 10%. Для проведения инженерных расчетов примем равным 6 =40 МПа. В связи с тем, что скорость деформации в заданном маршруте прокатки растет по мере уменьшения толщины проката, ее величина рассчитывалась для _ v-Ah каждого прохода по формуле и — ——- 5 при постоянной скорости прокатки К 1 v=0,l м/с скорость деформации варьировалась в пределах от 0,8 до 2,1 с" (Таблица 9). Соответствующим образом была скорректирована кривая упрочнения уф{?] ) (Рисунок 3.10), здесь суммарное обжатие определяется
Зависимость усредненного сопротивления деформации композиции сталей У8 и 08кп от суммарного истинного обжатия, при Т = 1100С и «=0,8+2,1 с"1
Рассчитанные значения скорости деформации изменяются в диапазоне и=0,8+2,1 с" . На основе полученных результатов определены средние значения сопротивления деформации композиции сталь У8 + 08кп в зависимости от суммарного истинного обжатия. Ниже представлены (Рисунки 3.11-3.14) результаты вычислений в виде графиков зависимостей
Зависимость среднего сопротивления деформации композиции сталей У8 и 08Х18Н10 от относительного обжатияГ = 1000С, и =0,5 с"1 Применительно к установленному маршруту прокатки при изменении скорости деформации в диапазоне и=0,8- 2,1 с" по справочнику [28], руководствуясь методом термомеханических коэффициентов, были определены средние значения сопротивления деформации для композиции сталей У8 и 08X18Н10 в зависимости от суммарной истинной деформации (Рисунок 3.16). По полученным значениям сопротивления деформации был проведен расчет сил прокатки для многослойной композиции сталей У8 и
Зависимость сил прокатки от суммарного относительного обжатия, полученная по усредненному сопротивлению сталей У8и08Х18Н10 Экспериментальное определение сил прокатки композиции 08кп+У8
Экспериментальная часть посвящена сравнению расчетных значений силовых параметров прокатки с опытными данными и исследованию степени влияния слоистой структуры и химического состава слоев, образующих композицию.
Экспериментальные измерения сил прокатки производились на образцах композиций 08кп+У8 и У8+08Х18Н10. Все слоистые образцы предварительно вакуумировались в герметичных капсулах до степени разряжения 10" мм рт. ст.
Температура прокатки композиций различалась. Для композиции сталей 08кп и У8 была выбрана равной Т= 1100С, для композиции сталей У8 и 08X18Н10 была выбрана равной Т= 1000С.
Работа проводилась в два этапа. На первом этапе для исследований были подготовлены 100-слойный пакет из листов по 0,5 мм каждый на основе композиции сталей У8+08Х18Н10. Все образцы нагревались в камерной печи до температуры 1100С и прокатывалась на листовом двухвалковом стане с диаметром валков 160 мм при постоянном относительном обжатии в каждом проходе 10±2,5% до толщины 2 мм со скоростью 0,1 м/с. Нагрев осуществлялся перед каждым проходом. Измерение сил прокатки проводилось методом тензометрии при помощи месдоз, расположенных под нажимными винтами стана. Сигналы от месдоз поступали через преобразующее устройство на монитор компьютера и записывались в виде графиков изменения сил под нажимными винтами. Ниже приведен типовой график изменения силы прокатки в одном из проходов (Рисунок 3.18).
На графике прослеживаются плавные рост и падение силы прокатки при входе полосы в валки и выходе из них, что свидетельствует о безударном характере начала и конца прокатки. Значение силы прокатки несколько растет на участке установившегося процесса, что объясняется остыванием полосы и, как следствие, ростом сопротивления деформации. Для последующего анализа выбиралось среднее арифметическое значение силы прокатки в данном проходе.
Применение исследованных материалов
Работоспособность зубчатых колес редукторов, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях, связанных с большими динамическими нагрузками, значительными контактными напряжениями между зубьями, зависит от применяемых для этих целей конструкционных материалов. В значительной степени эта проблема решается применением таких технологий упрочнения поверхностного слоя зубьев, как ионно-плазменное азотирование, вакуумная цементация, вакуумной нитроцементации, комбинированные технологии химико-термической обработки. Вместе с тем, возможности данных технологий не позволяют превысить уже достигнутые результаты на существующих марках сталей. Для повышения эффективности применения технологий химико-термической обработки необходимо использовать конструкционные материалы с ультрамелкозернистой структурой устойчивой в широком диапазоне температур.
Азотирование проводилось в среде газа при температуре 540 С, со степенью диссоциации аммиака от 20 до 40 %, в течение 45 ч. [116]. Все исследованные образцы обрабатывались одной садкой, для сравнения в качестве контрольного использовался образец стали 08X18Н10, имевший стандартную поликристаллическую структуру. Толщина полученного азотированного слоя для контрольного образца стали 08X18Н10 составила около 130 мкм. Исследование микроструктуры многослойных образцов показало, что глубина проникновения диффузанта при проведении процесса азотирования зависела от толщины ламинарных слоев материала. В многослойных образцах с ультрамеклозернистой структурой, имеющих толщину ламинарного слоя 100 мкм, глубина проникновения азота в среднем составляет около 150 мкм (Рисунок 4.7).
Установлено, что уменьшение толщины ламинарных слоев от 100 до 2 мкм приводит к увеличению диффузионного слоя более чем в два раза (до 200 мкм), по сравнению с поликристаллическим образцом. Таким образом, поток азота насыщает более тонкие ламинарные слои с более высокой скоростью, что способствует повышению градиента концентраций в слое за меньший промежуток времени.
По итогам выполнения государственного контракта №16.523.11.3010 были достигнуты следующие результаты [117-119]: -теоретически обоснована концепция двухэтапной технологии поверхностного упрочнения: создание термически стабильного ультромелкозернистого состояния обрабатываемой стали на первом этапе и использование такого состояния для ускоренного и качественного насыщения поверхностного слоя углеродом или углеродом совместно с азотом на втором этапе; -определено поведение в условиях вакуумной и ионно-вакуумной ХТО наноструктурированного состояния и действие факторов на структуру диффузионных слоев; -установлено влияние наноструктурированного состояния на структурные характеристики диффузионного слоя.
Результаты могут быть использованы в частности для упрочнения нагруженных узлов и деталей перспективной аэрокосмической техники, наземных, энергетических, нефте-, газоперекачивающих, транспортных систем. В МГТУ имени Н.Э. Баумана получен патент № 2524892 на способ изготовления деталей машин с получением субмикро инаноструктурированного состояния диффузионного при поверхностного слоя при азотировании.
Перспективным является применение многослойных материалов с ультрамелкозернистой структурой в качестве элементов гибких тяговых органов, длинноходовых глубинных насосных установок, материалов для изготовления упругих элементов, полотен ленточных пил, промышленных ножей, материалов бронезащиты, а также баллонов высокого давления.
Расчет себестоимости малотоннажного производства многослойного стального листа Целью проведения экономического расчета является определение себестоимости производства многослойного листа для последующего сравнения цены горячекатаных монолитных листов с крупнозернистой структурой и многослойных листов с ультрамелкозернистой структурой.
При планировании себестоимости рассчитываются все затраты на единицу продукции (1 тонна металла). Для этого составляется проектная калькуляция. В калькуляции учитывается стоимость основных и вспомогательных материалов, заработная плата основных производственных рабочих (основная и дополнительная), заработная плата участников работ, отчисления на социальное налогообложение, амортизация и ремонт оборудования, расходы на аренду помещений.